Классификация по конструктивно-технологическому типу программируемых элементов

Современные и перспективные БИС/СБИС со сложными программируемыми и репрограммируемыми структурами (FPGA, CPLD, FLEX, SOC и др.)

Общие сведения

Микросхемы ПЛМ, ПМЛ и БМК, рассмотренные в гл. 7, положили начало двум основным ветвям дальнейшего развития логических схем с программируемой и репрограммируемой структурами. Продолжением линии ПМЛ стали БИС/СБИС CPLD (Complex Programmable Logic Devices), а линии БМК - FPGA (Field Programmable Gate Arrays). Стремление объединить достоинства обеих линий привело к созданию БИС/СБИС смешанной (комбинированной) архитектуры, для которых еще не выработано общепринятое название (фирма Altera пользуется названием FLEX (Flexible Logic Element MatriX) - гибкие). Рост уровня интеграции дал возможность размещать на кристалле схемы, сложность которых соответствует целым системам. Эти схемы именуются SOC (Systems On Chip).

Сказанное иллюстрируется рис. 8.1, где под MPGA понимаются Mask Programmable GAs (вентильные матрицы с масочным программированием или БМК), а остальные термины уже объяснены.

Новизна темы, которой посвящена эта глава, сопровождается отсутствием установившейся терминологии, особенно в русскоязычной литературе, где иногда одни и те же термины обозначают разные вещи. Для некоторых терминов русские аналоги еще не определились. Ввиду сказанного ниже используются преимущественно английские термины и аббревиатуры, что, кстати говоря, характерно также для справочной литературы и документации САПР.

Общее название, объединяющее совокупность ИС, рассматриваемых в этой главе, т. е. "БИС/СБИС с программируемой (либо репрограммируемой) структурой" слишком громоздко, поэтому для краткости будем пользоваться обозначением "СБИС ШГ (СБИС программируемой логики), в котором не

разделяются понятия БИС и СБИС (для нас это разделение несущественно) и не отражается однократность или многократность программируемости микросхемы.

Рис. 8.1.Взаимосвязь поколений СБИС программируемой логики

В разработке СБИС ПЛ участвуют уже десятки фирм, ведущими среди них являются Xilinx, Altera, Actel, Atmel, AMD (Vantis), Lattice (все США) и некоторые другие. Перечисленные фирмы достаточно полно представляют спектр продукции в области СБИС ПЛ, хотя и не исчерпывают ее. Последующее изложение темы ориентировано в основном на разработки фирм Xilinx, Altera и Actel.

Сфера применения СБИС ПЛ чрезвычайно широка, на них могут строиться не только крупные блоки систем, но и системы в целом, включая память и процессоры. Области применения СБИС ПЛ уточняются в дальнейшем, предварительно отметим важность таких применений, как отработка прототипов систем при их проектировании, даже если конечная реализация систем рассчитана на другие средства, и создание малотиражных изделий быстрыми и эффективными способами.

СБИС ПЛ классифицируются по нескольким признакам.

391 :: 392 :: Содержание

392 :: 393 :: 394 :: 395 :: 396 :: 397 :: Содержание

Классификация по конструктивно-технологическому типу программируемых элементов

Классификация СБИС ПЛ по конструктивно-технологическому типу показана на рис. 8.2. Программируемости, т. е. реализуемость конкретного проекта на стандартной СБИС, обеспечивается наличием в ней множества двухполюсников, проводимость которых может быть задана пользователем

либо очень малой (это соответствует разомкнутому ключу), либо достаточно большой (это соответствует замкнутому ключу). Состояния ключей задают ту или иную конфигурацию схеме, формируемой на кристалле. Число программируемых двухполюсников (программируемых точек связи ПТС) в СБИС ПЛ зависит от ее сложности и может доходить до нескольких миллионов. Для современных СБИС ПЛ характерны следующие виды программируемых ключей:

• перемычки типа antifuse (русский термин отсутствует);
• ЛИЗМОП транзисторы с двойным затвором (см. рис. 4.16, б и текст к нему);
• ключевые транзисторы, управляемые триггерами памяти конфигурации ("теневым" ЗУ).

Рис. 8.2.Классификация СБИС ПЛ по типу программируемых элементов

Программирование с помощью перемычек типа antifuse является однократным. Высококачественные перемычки фирмы Actel (рис. 8.3) компактны, имеют очень малые токи в первоначальном (непроводящем) состоянии (около одного фемтоампера, 1 фА = 10^-15 А).

Программирующий импульс напряжения пробивает перемычку и создает проводящий канал из поликремния между электродами (один электрод поликремниевый, другой - диффузионная область n⁺). Параметры обоих состояний перемычки должны сохраняться около 40 лет.

Рис. 8.3.Программируемые перемычки типа ONO до (а) и после (б) программирования

Элементы EPROM u EEPROM (Flash) на ЛИЗМОП транзисторах с плавающим затвором используются в схемах программируемой памяти и рассмотрены в гл. 4. Точно так же используются они и в СБИС ПЛ. Из элементов с УФ-стиранием выделился вариант вообще без возможности стирания данных - вариант EPROM-OTP (OTP, One Time Programmable). Если в обычных EPROM стирание данных производится облучением кристалла через прозрачное окошко в корпусе, то в схемах ОТР дорогостоящий корпус с окошком заменен на дешевый без окошка, т. е. возможность стирания исключается.

Не повторяя подробностей, напомним основные свойства элементов EPROM и EEPROM.

Репрограммируемые СБИС ПЛ на основе схемотехники EPROM требуют длительного (около часа) стирания старой конфигурации под воздействием ультрафиолетового излучения с извлечением СБИС из устройства и ограничением числа программировании из-за деградации свойств материалов под действием УФ-излучения.

Память конфигурации с EEPROM, стираемая электрическими сигналами, для обновления не требует извлечения микросхемы из устройства, допускает достаточно большое число циклов стирания (10⁴...10⁶), стирание старой и запись новой информации занимают время порядка миллисекунд

Транзисторный ключ, управляемый триггером памяти конфигурации, показан на рис. 8.4. Ключевой транзистор Т2 замыкает или размыкает участок ab в зависимости от состояния триггера, выход которого подключен к затвору транзистора Т2. При программировании на линию выборки подается высокий потенциал, и транзистор Т1 включается. С линии записи-чтения подается сигнал, устанавливающий триггер в состояние логической "1" или "О". В рабочем режиме транзистор Т1 заперт, триггер сохраняет неизменное состояние. Так как от триггера памяти конфигурации не требуется высокое быстродействие, он проектируется с оптимизацией по параметрам компактности и максимальной устойчивости стабильных состояний. Помехи в несколько вольт для такого триггера не влияют на его состояние. Схемы с триггерной памятью конфигурации (SRAM-based) впервые разработаны фирмой Xilinx.

Рис. 8.4.Схема ключевого транзистора, управляемого триггером памяти конфигурации

Загрузка соответствующих данных в память конфигурации программирует СБИС ПЛ. Быстрый процесс оперативного программирования может производиться неограниченное число раз. В СБИС ПЛ с триггерной памятью конфигурация разрушается при каждом выключении питания. При включении питания необходим процесс программирования (инициализации, конфигурирования) схемы - загрузка данных конфигурации из какой-либо энергонезависимой памяти, что требует времени порядка десятков и даже сотен миллисекунд, если речь не идет о специальных СБИС ПЛ с так называемым динамическим оперативным репрограммированием.

Триггеры памяти конфигурации распределены по всему кристаллу СБИС вперемешку с элементами схемы, которые они конфигурируют.

Репрограммирование СБИС ПЛ с триггерной памятью конфигурации производится в том же режиме, что и рабочий режим, путем записи кодовой последовательности в цепочку триггеров. Стирание информации как специфический процесс воздействия на запоминающие элементы, требующий относительно длительных операций, вообще устранено. Несмотря на

повышенную сложность запоминающего элемента и его энергозависимость в силу указанных и других (рассматриваемых ниже) достоинств, СБИС ПЛ с триггерной памятью конфигурации занимают важнейшее место в новых вариантах FPGA и CPLD.