Большие интегральные схемы

8 РЕФЕРАТ по дисциплине : Организация вычислительных систе м Тема : Большие интегральные схемы Одним из важнейших путей совершенс твования вычислительной техники является широкое применение в ней дос тижений современной микроэлектроники . Успехи полупроводниковой интегральной электроники привели к созданию нового класса сложных функциональных электронных изделий - больших интегральных схем, которые стал и основной элементной базой ЭВМ четвертого поколения ( конец 70-х годов ). В одной такой схеме объёмом всего лишь в доли кубического сантиметра размещается блок, занимавший в ЭВМ первого п околения целый шкаф . В результате д остигнуто существенное повышение производительности ЭВМ . Если в ЭВМ третьего поколения быстродействие достига ет 20-30 млн операций в секунду, то в машинах четвёртого поколения производи тельность достигает сотен миллионов операций в секунду . Соотв етственно возрастает и объём памяти . Наряду с усовершенствованием традиционных устройств памяти на магнитных дисках и лентах со здаётся память без движущихся частей . Общий объём внешней памяти в крупных машинах четвёртого покол ения превосходит 10 14 символов, что э квивалентно библиотеке, состоящей из нескольких миллионов объёмистых томов . БИС созданы в результате естественного развития инте гральных схем . Предпосылкой их появ ления является освоение электронной промышленностью планарной технол огии изготовления кремниевых полупроводниковых приборов . Принципиальная новизна этой технологии со стоит в том, что она позволила заменить обычные дискретные компоненты ди ффузионными или тонкоплёночными компонентами . Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее пр оизводства . Переход на новую элемен тну ю базу - сверхб ольшие интеграль ные схемы ( СБИС ) - резко сок ращает число используемых интег ральных схе м, а значит, и число их соединений друг с другом . Хоро шо продуманы компоно вка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы ( охлаждение, защ ита от пыли ). Все современные вычислител ьные маш ины строятся на комплек сах ( системах ) интегральных ми кросхем ( ИС ). Электронная микро схема н азывается интегральной, если ее компоненты и соединени я между ними выполнены в едином технологическом цикле, н а едино м основании и имеют общую гермети зацию и защиту от механически х воздейст вий . Каждая микросхема представляе т собой миниатюрну ю электронную схему, с формированн ую послойно в кристалле полупро водника : кремния, германия и т.д. В состав микропро цессорных набо ров включаются различные типы микросх ем, но все они должны имет ь единый тип меж модульных связей, основанный на стандартизаци и параметров сигналов взаимодействия ( амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.) . Основ у набора обычно составляют боль шие интегральные схемы ( БИС ) и све рхбольшие интегральные схе мы ( СБИС ). В ближайшем будущем следует ожидать появления ульт рабо льших ИС ( УБИС ). Кроме н их обычно используются микросхе мы с малой и средней степенью интеграции ( СИС ). Функциональн о микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но кажда я из них состоит из комбинац ии простейших логических элемен тов, реализующих функции форми рования, преобразования, запоми нания сигнал ов и т.д. Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных на борах , основу которых составляют больши е ( БИС ) и сверхбольшие интегральные схемы ( СБИС ). Технологический при нцип разработки и производства интегральных схем действует уже более ч етверти века . Он заключается в послойном изготовлении частей электрон ных схем по циклу " программа - рисунок - схема ". По программам на запыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микрос хемы . Затем рисунок протравливаетс я, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев . На основе этого создается пространственная твердоте льная структура . Например, СБИС типа Pentium включает около трех с половиной м иллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре . Степень микроминиатюризации, размер крист алла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяю тся типом литографии . До настоящего времени доминирующей остава лась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились свет овым лучом . В настоящее время ведущи е компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами пр имерно 400 - 600 мм2 для процессоров ( например, Pentium ) и 200 - 400 мм2 - для схем памяти . Минимальный топологический раз мер ( толщина линий ) при этом составляет 0,25 - 0,135 мкм . Д ля сравнения можно привести такой пример . Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм . Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм требуется вычерчивать боле е двухсот линий . Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с эл ектронно й ( лазерной ), ионной и рентгеновской литографией . Это позволяет выйт и н а размеры 0,13 ; 0,10 и даже 0,08 мкм . Вместо ранее используемых алюминиевых про водников в микросхемах повсеместно начинают применять медные соединен ия, что позволяет повысить частоту работы . Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем . Микроскопическая толщина линий, ср авнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и нап ыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур . Действительно, достато чно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы - и она попадает в брак . Поэтому новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование , размещаемое в " чистых помещениях класса 1 ", микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в з амкнутых сверхчистых мини-атмос ферах класса 1000 . Мини-атмосфе pa создает ся, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении КГ4 Торр . В настоящее время основой построения всех микросхе м была и остается КМоп- технология ( комплементарные схемы, т.е. совместно использующи е п - и р-переходы в транзисторах со ст руктурой " металл - окисел - полупроводни к " ). Однако появление БИС породило очень серьезную пробле му - " что положить на под ложку " или, другими словами, каким образо м реализовать устройство на схемах с таким колоссальным количеством эл ементов . Первым и довольно естественным решением этой проблем ы явилось изготовление так называемых заказных схем, разрабатываемых к аждый раз специально для использования в конкретной аппаратуре . В то же время проектирование заказных БИ С - весьма длительный и трудоемкий п роцесс, использующий сложные человеко-машинные системы автоматизирова нного проектирования . Поэтому разр аботка и изготовление заказных БИС могут быть экономически оправданы т олько при массовом производстве аппаратуры, в которой эти схемы применя ются . Хорошей альтернативой заказным БИС явились микропро цессорные наборы - совокупность бол ьших интегральных схем, реализующих сложные функции цифровой аппарату ры . Из этих " кирпичей " достаточно просто ст роятся микрокомпьютеры ( микро-ЭВМ ), получившие исключительное развитие и н ашедшие широкое применение в разнообразных системах управления . Микропроцессор является универсальным устройством, способным реализовать любую логическую функцию . Однако программная реализация логики управления осущест вляется сравнительно медленно, микропроцессор зачастую не способен об еспечить необходимое быстродействие . В связи с этим в настоящее время широкое распространение получ или программируемые БИС с матричной структурой, среди которых особое ме сто занимают программируемые логические матрицы ( ПЛМ ) - большие интеграль ные схемы, сочетающие регулярность структуры полупроводникового запом инающего устройства ( ЗУ ) с универсальностью микропроцессора . ПЛМ обладает существенными преимуществ ами перед микропроцессором при реализации сложных алгоритмов управлен ия . В качестве функциональных узлов БИС, ориентированных на реализацию булевых функций, широко используются так называемые матр ичные схемы . Матричная схема представляет собой сетку ортогональ ных проводников, в местах пересечения которых могут быть установлены по лупроводниковые элементы с односторонней проводимостью ( ЭОП ) - диоды или транзисторы . Рассмотрим матрицы М1и М2 на рисунке №1 . Способ включения ЭОП в местах пересечения ш ин матрицы М1 позволяет реализовать на любом из её выходов любую конъюнк цию её входных переменных, взятых со знаком либо без знака инверсии . Р4 8 Рисунок №1 Матрица М2 имеет 4 вертикальных и 2 горизонтальных шины . Способ включения ЭОП в местах пересечения шин М2 позволяет реализоват ь на любом из её выходов любую дизъюнкцию её входных переменных . Если соединить эти матрицы как показано на рисунке №2, то можно заметить, что любая систем а булевых функций у1 . yn водных переменн ых x 1 . xn может быть реализована двухуровневой матр ичной схемой , на первом уровне кото рой образуются р азличные элементарные конъюнкции, а на втором - дизъюнкции соответствующих конъюнкций ( y 1… yn ). В итоге построение схем с матричной структурой своди тся к определению точек пересечения шин, где должны быть включены ЭОП . 8 Рисунок №2 По способу программирования различают матрицы, настр аиваемые ( программируемые ) на заводе-изготовителе, пользователем и реп рограммируемые ( многократно настраива емые ). В матрицах первого типа соединение ЭОП с шинами осуще ствляется 1 раз с помощью специальных масок, используемых для металлизац ии определённых участков кристалла БИС . После изготовления БИС полученные соединения изменены быть н е могут . Матрицы второго типа поставляются потребителю не настроенными и содержащими ЭОП в каждой точке пересечения их шин . На стройка сводится к удалению ( отключению ) некоторых ненужных ЭОП . Ф изически процесс настройки осуществляется различными способами, напри мер , путём пропускания серии импуль сов тока достаточно большой амплит уды через соответствующий ЭОП и раз рушения плавкой перемычки, включённой последовательно с этим ЭОП и соединяющей его с одной из шин в точке их пересечени я . Матрицы третьего типа позволяют осуществлять програ ммирование неоднократно . Повторно е программирование выполняется электрическим способом после стирания содержимого матриц под действием ультрафиолетового ( иногда рентгеновского ) облучения или электрическим способом отдельно для каждого ЭО П . Так же необходимо сказать несколько слов о так называ емых программируемых матрицах . Программируемая логическая матрица ( ПЛМ ) представляет собой функциональный блок, созданный на базе полупроводниковой технол огии и предназначенный для реализации логических схем цифровых систем . В зависимости от внутренней органи зации программируемые логические матрицы можно разделить на ПЛМ комби национной логики и ПЛМ с памятью . Следует отметить, что на кристалле БИС ПЛМ предусмотр ена специальная система шин, позволяющая соединять вы ходы донной матрицы с входами другой . Выполнение разрезов шин и организация необходимых связей меж ду входами и выходами различных матриц осуществляются на этапе настрой ки ПЛМ на заводе изготовителе .