Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Sinclair ZX81 ULA

Вентильная матрица представляет собой подход к проектированию и изготовлению специализированных интегральным схем (ASIC) с использованием сборного чипа с компонентами, которые затем соединены между собой в логические устройства (например , ворота NAND , триггера и т.д.) в соответствии с пользовательским заказом добавлением металлических соединительных слоев на заводе.

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

Матрицы вентилей также известны как незафиксированные логические массивы (ULA), которые также предлагали функции линейных схем [1] и частично настраиваемые микросхемы.

Дизайн [ править ]

Матрица затвора представляет собой предварительно изготовленный кремниевый чип, в котором большинство транзисторов не имеют заранее определенной функции. Эти транзисторы могут быть соединены металлическими слоями для формирования стандартных логических вентилей И-НЕ или ИЛИ-ИЛИ . 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 печатной платы .

Самые ранние вентильные матрицы состояли из биполярных транзисторов , обычно конфигурируемых как высокопроизводительная транзисторно-транзисторная логика , логика с эмиттерной связью или логические конфигурации токового режима . Матрицы затворов CMOS (дополнительный металл-оксид-полупроводник ) были позже разработаны и стали доминировать в отрасли.

Мастер-слайсы вентильного массива с незавершенными чипами, размещенными на пластине , обычно изготавливаются заранее и хранятся в больших количествах независимо от заказов клиентов. Проектирование и изготовление в соответствии с индивидуальными требованиями заказчика может быть завершено в более короткие сроки, чем при проектировании стандартной ячейки или полностью индивидуальной конструкции. Подход с вентильной матрицей снижает единовременные затраты на проектирование масок, поскольку необходимо производить меньше специальных масок. Кроме того, сокращаются время изготовления и затраты на изготовление инструментов для испытаний - одни и те же приспособления для испытаний могут использоваться для всех изделий с вентильными матрицами, изготовленных на кристаллах одного и того же размера. Массивы вентилей были предшественниками ASIC с более сложной структурой.; 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 дорогие. Хотя разработчик может довольно легко подсчитать, сколько элементов ввода / вывода необходимо, количество необходимых дорожек маршрутизации может значительно различаться даже между проектами с одинаковым объемом логики. (Например, перекрестный переключатель требует гораздо большей маршрутизации, чем систолический массивс 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 с точки зрения ворот и я Выводы / O можно направить. Это определяется оценками, например, полученными из правила Рента, или экспериментами 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 [ править ]

Развитие [ править ]

Массивы вентилей имели несколько параллельных путей разработки. Ферранти в Великобритании был пионером в коммерциализации биполярной технологии ULA [2], предложив к 1983 году схемы «от 100 до 10 000 вентилей и выше» [3] [4], а затем отказался от этого лидерства в производстве полупроводниковых микросхем. IBM разработала собственные биполярные мастер-слайсы, которые использовала при производстве мэйнфреймов в конце 1970-х - начале 1980-х годов, но никогда не реализовывала их на внешнем рынке. Fairchild Semiconductor также ненадолго заиграла в конце 1960-х с биполярными матрицами диодно-транзисторной логики и транзисторно-транзисторной логикой, названными Micromosaic и Polycell. [5]

Технология CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник ) открыла двери для широкого коммерческого внедрения матриц затворов. Первые вентильные матрицы КМОП были разработаны Робертом Липпом [6] [7] в 1974 году для International Microcircuits, Inc. [5] (IMI), магазина фото-масок в Саннивейл, основанного Фрэнком Деверсом, Джимом Таттлом и Чарли Алленом, бывшими сотрудниками IBM. сотрудники. В этой первой линейке продуктов использовалась одноуровневая металлическая КМОП-технология 7,5 микрон и диапазон от 50 до 400 вентилей . Технология автоматизированного проектирования (САПР) 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 разработок. Наиболее важными из них были: строгая организация n-канальных и p-канальных транзисторов в 2-3 пары строк на кристалле; и запуск всех межсоединений в сетях, а не на минимальном настраиваемом интервале, который до этого 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. [5]Компания IMI использовала методы разработки печатных плат, чтобы свести к минимуму ручную настройку. В то время микросхемы создавались вручную, рисуя все компоненты и соединяясь между собой на листах майлара с точной сеткой, используя цветные карандаши для обозначения каждого слоя обработки. Затем листы рубилита были разрезаны и отслоены, чтобы создать (обычно) представление технологического слоя в масштабе от 200 до 400 раз. 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. Компания IMI создала масштабные фотоувеличения базовых слоев. Используя декали соединений логических вентилей и компьютерную ленту, чтобы соединить эти вентили,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, конкурирующую с IMI, и вскоре после этого линию продуктов с однослойным кремниевым затвором 5 микрон и плотностью до 1200 затворов. Пару лет спустя 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. [6]

Опасения, связанные с ранними массивами вентилей, попытки нововведений [ править ]

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 уступали существующей доминирующей логической технологии, семействам 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 нестандартных инструментов сделала эту технологию доступной для самых скромных бюджетов. Ранние вентильные матрицы сыграли большую роль вПовальное увлечение CB в 1970-х годах, а также средство для внедрения других более поздних продуктов массового производства, таких как модемы и сотовые телефоны.

Ferranti ULA 2C210E на материнской плате Timex Sinclair 1000

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

В 1981 году Уилфред Корриган , Билл О'Мира, Роб Уокер и Митчелл «Мик» Бон основали LSI Logic . [8] Их первоначальным намерением было коммерциализировать матрицы логических вентилей с эмиттерной связью, но они 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 линейка продуктов была первой коммерческой системой ворот, поддающейся 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 перенесла усовершенствованный дизайн ZX80 на микросхему ULA для ZX81 , а позже использовала ULA в ZX Spectrum . Совместимый чип был произведен в России как T34VG1. [9] Acorn Computers использовала несколько микросхем ULA в BBC Micro , а позже - один ULA для Acorn Electron . Многие другие производители со времен бума домашних компьютеров использовали ULA в своих машинах. IBM PC занял большую часть рынка персональных компьютеров, а также объемы продаж совершенны-заказные чипы более экономичными. В серии Amiga от Commodore использовались вентильные матрицы для пользовательских микросхем Гэри и Гейл, как можно предположить из их кодовых названий.

Бум [ править ]

В то время как рынок бурно развивался, отрасли не хватало прибыли. Полупроводники пережили серию продолжающихся спадов в 1980-х годах, которые привели 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 загруженными и позволять постоянную модернизацию в быстро развивающейся отрасли, стали гиперконкурентоспособными. Множество новых участников рынка привели к снижению цен на вентильные матрицы до предельных издержек производителей кремния. Такие компании, как LSI Logic и CDI, выживали за счет продажи дизайнерских услуг и компьютерного времени, а не доходов от производства. [6]

Косвенная конкуренция возникла с разработкой программируемой вентильной матрицы (FPGA). 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. Однако закон Мура быстро сделал их силой и к началу 1990-х годов серьезно подорвал рынок воротных решеток.

Дизайнеры по-прежнему хотели найти способ создавать свои собственные сложные микросхемы без затрат на полностью настраиваемую конструкцию, и в конечном итоге это желание было удовлетворено с появлением не только ПЛИС, но и сложных программируемых логических устройств (CPLD), металлических настраиваемых стандартных ячеек ( 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 быстро проверена. Для устройств меньшего размера стоимость производства достаточно низкая. Но для больших ПЛИС производство очень дорогое, энергоемкое и во многих случаях не достигает требуемой скорости. Чтобы решить эти проблемы, несколько компаний, занимающихся ASIC, любятBaySand , Faraday , Gigoptics и другие предлагают услуги преобразования FPGA в ASIC.

Отклонить [ править ]

В начале 21-го века рынок вентильных матриц был пережитком своего прошлого, движимый преобразованиями FPGA, сделанными по соображениям стоимости или производительности. Компания IMI перешла от вентильных матриц к схемам со смешанными сигналами 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. [10]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Семейство незафиксированных массивов 224 ячеек . Подразделение электронных компонентов Ferranti. Март 1977 г. с. 1 . Проверено 23 февраля 2021 года .
  2. Перейти ↑ Grierson, JR (июль 1983 г.). «Использование шлюзовых массивов в телекоммуникациях» . Британская телекоммуникационная инженерия . 2 (2): 78–80. ISSN 0262-401X . Проверено 26 февраля 2021 года . В Великобритании компания Ferranti со своими матрицами с биполярной коллекторной диффузной изоляцией (CDI) первой начала коммерческое использование затворных матриц, и в течение многих лет это была наиболее широко используемая технология. 
  3. ^ «Все говорят о микросхемах Ferranti» . Британский Телеком Журнал . 3 (4). Январь 1983 . Проверено 23 января 2021 года .
  4. ^ Краткое руководство по дискретным и интегральным схемам Ferranti . Ferranti plc. 1984. С. IC4 . Проверено 23 февраля 2021 года .
  5. ^ a b c "1967: Специализированные интегральные схемы используют автоматизированное проектирование" . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 28 января 2018 .
  6. ^ a b c "Устная история Липпа, Боба" . Музей истории компьютеров . Проверено 28 января 2018 .
  7. ^ "Люди" . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 28 января 2018 .
  8. ^ "Панель устной истории LSI Logic | 102746194" . Музей истории компьютеров . Проверено 28 января 2018 .
  9. ^ Т34ВГ1 - статья о ULA-совместимом чипе ZX Spectrum (на русском языке)
  10. ^ «Компании» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 28 января 2018 .

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с массивами ворот, на Викискладе?