Сверхбольшие интегральные схемы

          Типичными видами применения матричных процессоров является обработка сейсмической и акустической информации, распознавание речи; для этих видов обработки характерны такие операции, как быстрое преобразование Фурье, цифровая фильтрация и действия над матрицами. Для построения относительно небольших более экономичных в работе матричных процессоров используются разрядно-модульные секции АПУ в сочетании с векторным процессором, реализованным на основе биполярного СБИС-процессора с плавающей запятой.

          Вероятно, в будущем матричные процессоры будут представлять собой матрицы процессоров, служащие для увеличения производительности процессоров сверх пределов, установленных шинной архитектурой.

Главным архитектурным различием между традиционными ЭВМ, предназначенными для обработки научной и коммерческой информации, является то, что последние (мини-, супермини -, универсальные и мега универсальные ЭВМ) имеют главным образом скалярную архитектуру, а машины для научных расчетов (супер-, мини супер-ЭВМ и матричные процессоры) - векторную. Скалярная ЭВМ имеет традиционную фон-неймановскую, то есть SISD-организацию, для которой характерно наличие одной шины данных и последовательное выполнение обработки одиночных элементов данных. Векторная машина имеет в своем составе раздельные векторные процессоры или конвейеры, и одна команда выполняется в ней над несколькими элементами данных (векторами)

          Векторные архитектуры - это в основном архитектуры типа SISD, но некоторые из них могут относиться к классу MIMD. Векторная обработка увеличивает производительность процессорных элементов, но не требует наличия полного параллелизма в ходе обработки задачи.

          Для реализации обработки сигналов матрицы МЛМД могут быть реализованы в виде систолических или волновых матриц.

         Систолическая матрица состоит из отдельных процессорных узлов, каждый из которых соединен с соседним посредством упорядоченной решетки. Большая часть процессорных элементов располагает одинаковыми наборами базовых операций, и задача обработки сигнала распределяется в матричном процессоре по конвейерному принципу. Процессоры работают синхронно, используя общий задающий генератор тактовых сигналов, поступающий на все элементы.

          В волновой матрице происходит распределение функций между процессорными элементами, как в систолической матрице, но в данном случае не имеет места общая синхронизация от задающего генератора. Управление каждым процессором организуется локально в соответствии с поступлением необходимых входных данных от соответствующих соседних процессоров. Результирующая обрабатывающая волна распространяется по матрице по мере того, как обрабатываются входные данные, и затем результаты этой обработки передаются другим процессорам в матрице.

          МКМД (множественный поток команд, множественный поток данных.) Множественный поток команд предполагает наличие нескольких процессорных узлов и, следовательно, нескольких потоков данных. Примерами такой архитектуры являются мультипроцессорные матрицы.

          Транспьютер Inmos Т414 предназначен для построения МКМД структур; для обмена информацией с соседними процессорами в нем предусмотрены четыре быстродействующие последовательных канала связи. Имеется встроенная память большой емкости, которая может быть подключена к интерфейсу шины памяти. Разрядность местной памяти каждого транспьютера наращивает разрядность памяти системы; таким образом, полная разрядность памяти пропорциональна количеству транспьютеров в системе. Суммарная производительность также возрастает прямо пропорционально числу входящих в систему транспьютеров.

          В дополнение к параллельной  обработке, реализуемой транспьютерами, предусмотрены специальные команды для разделения процессорного времени между одновременными процессорами и обмена информацией между процессорами. Хотя программирование транспьютеров может выполняться на обычных языках высокого уровня, для повышения эффективности параллельной обработки был разработан специальный язык Okkam.

         Транзисторные матрицы (ТМ) являются одной из популярных структур для проектирования топологии макроэлементов заказных цифровых СБИС, выполняемых по КМОП - технологии, ТМ имеют регулярную матричную топологию, получение которой может быть автоматизировано, что привлекает к ним разработчиков кремниевых компиляторов. Известные методы проектирования ТМ ориентированы на минимизацию площади кристалла, занимаемую информационными транзисторами, и оставляет в стороне вопрос о минимизации площади, требуемой для разводки шин «земли» (Gnd) и «питания» (Vdd). В данной статье предлагается метод минимизации числа шин Gnd и Vdd в ТМ, после того, как ее площадь была минимизирована с помощью методов [4,5].

Структура ТМ.

         В лэйауте (англ. layout - детальное геометрическое описание всех слоев кристалла) транзисторных матриц все p-транзисторы располагаются в верхней половине матрицы, а все n-транзисторы - в нижней. Транзисторные матрицы имеют регулярную структуру, которую составляют взаимопересекающиеся  столбцы и строки. В столбцах матрицы равномерно расположены полосы поликремния, образующие взаимосвязанные затворы транзисторов. По другим полюсам транзисторы соединяются друг с другом сегментами металлических линий, которые размещаются в строках матрицы. Иногда, для того чтобы соединить сток и исток транзисторов, находящихся в различных строках, вводят короткие вертикальные диффузионные связи. В дальнейшем ТМ будет представляться абстрактным лэйаутом.

          Абстрактный лэйаут - схематический рисунок будущего кристалла, где прямоугольники обозначают транзисторы, вертикальные линии - поликремневые столбцы, горизонтальные - линии металла, штриховые - диффузионные связи, точки - места контактов, стрелки - места подключения транзисторов к линиям Gnd и Vdd. При переходе к послойной топологии стрелки должны быть заменены полосками в диффузионном слое, по которому осуществляются соединения между строками ТМ. Очевидно, что подведению вертикальных связей к линиям Gnd, Vdd могут препятствовать транзисторы, расположенные в других строках транзисторной матрицы, либо расположенные в тех же столбцах диффузионные связи между строками (горизонтальные линии металла не являются препятствием). Вследствие этого приходится размещать несколько линий Gnd в n-части ТМ и несколько линий Vdd в p-части ТМ. Возникает задача минимизации числа этих линий. Будем рассматривать ее только для n-части ТМ, задача минимизации числа линий Vdd для p-части ТМ решается аналогичным образом.

         Пример абстрактного лэйаута для КМОП-схемы рис. 1.а показан на рис. 1.б.

рис 1.

         Пусть транзисторная матрица размером n на m  задана абстрактным лэйаутом. Представим последний троичной матрицей S размером n на 2m, поставим ее строки в соответствие строкам ТМ, а пары соседних столбцов - столбцам ТМ. Таким образом, каждый элемент матрицы S представляет некоторую позицию лэйаута и получает значение 1, если там стоит стрелка, значение 0 - если там не показан ни транзистор, ни диффузионная связь, и значение * - в остальных случаях. Легко видеть, что значение * свидетельствует о невозможности проведения через данную точку диффузионной связи от стока некоторого транзистора к линии Gnd.

         Например, для абстрактного лэйаута ТМ (рис. 1.б.) матрица S имеет вид:

1   2     3   4    5   6    7   8    9 10    11 12   13 14

                S1    * 1  0 0  * *  * *  0 0  0 0  * *

                S2    1 *  1 *  * *  0 0  1 *  0 0  0 *

        S =  S3    1 *  * 1  0 0  0 0  0 0  0 0  * 1

                S4    0 0  0 0  1 *  0 0  0 0  0 0  * *

                S5    1 *  * *  0 0  * 1  0 0  0 0  0 *

6. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБИС НА БАЗОВЫХ МАТРИЧНЫХ КРИСТАЛЛАХ, СТАНДАРТНЫЕ И ПОЛУЗАКАЗНЫЕ ИС, БАЗОВЫЕ КРИСТАЛЛЫ И ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Характерной тенденцией развития элементной базы современной электронно-вычислительной аппаратуры является быстрый рост степени интеграции. В этих условиях актуальной становится проблема ускорения темпов разработки узлов аппаратуры, представляющих собой БИС и СБИС. При решении данной проблемы важно учитывать существование двух различных классов интегральных схем: стандартных (или крупносерийных) и заказных. К первым относятся схемы, объем производства которых достигает миллионов штук в год. Поэтому относительно большие затраты на их проектирование и конструирование оправдываются. Этот класс схем включает микропроцессоры, различного вида полупроводниковые устройства памяти (ПЗУ, ОЗУ и т.д.), серии стандартных микросхем и др. Схемы, принадлежащие ко второму классу, при объеме производства до нескольких десятков тысяч в год, выпускаются для удовлетворения нужд отдельных отраслей промышленности. Значительная часть стоимости таких схем определяется затратами на их проектирование.

Основным средством снижения стоимости проектирования и, главное, ускорения темпов разработки новых видов микроэлектронной аппаратуры являются системы автоматизированного проектирования (САПР). В результате совместных действий конструкторов, направленных на уменьшение сроков и снижение стоимости проектирования БИС и СБИС, появились так называемые полузаказные интегральные микросхемы, в которых топология в значительной степени определяется унифицированной конструкцией кристалла. Первые схемы, которые можно отнести к данному классу, появились в 60‑х годах. Они изготавливались на унифицированном кристалле с фиксированным расположением функциональных элементов. При этом проектирование заключалось в назначении функциональных элементов схемы на места расположения соответствующих функциональных элементов кристалла и проведении соединений. Такой кристалл получил название базового, поскольку все фотошаблоны (исключая слои коммутации) для его изготовления являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Эти кристаллы, однако, нашли ограниченное применение из-за неэффективного использования площади кристалла, вызванного фиксированным положением функциональных элементов на кристалле.

Для частичной унификации топологии интегральных микросхем (ИС) использовалось также проектирование схем на основе набора типовых ячеек. В данном случае унификация состояла в разработке топологии набора функциональных (типовых ячеек, имеющих стандартизованные параметры (в частности, разные размеры по вертикали). Процесс проектирования при этом заключался в размещении в виде горизонтальных линеек типовых ячеек, соответствующих функциональным элементам схемы, в размещении линеек на кристалле и реализации связей, соединяющих элементы, в промежутках между линейками. Ширина таких промежутков, называемых каналами, определяется в процессе трассировки. Отметим, что хотя в данном случае имеет место унификация топологии, кристалл не является базовым, поскольку вид всех фотошаблонов определяется в ходе проектирования.

Современные полузаказные схемы реализуются на базовом матричном кристалле (БМК), содержащем не соединенные между собой простейшие элементы (например, транзисторы), а не функциональные элементы как в рассмотренном выше базовом кристалле. Указанные элементы располагаются на кристалле матричным способом (в узлах прямоугольной решетки). Поэтому такие схемы часто называют матричными БИС. Как и в схемах на типовых ячейках топология набора логических элементов разрабатывается заранее. Однако в данном случае топология логического элемента создается на основе регулярно расположенных простейших элементов. Поэтому в ходе проектирования логическими элемент может быть размещен в любом месте кристалла, а для создания всей схемы требуется изготовить только фотошаблоны слоев коммутации. Основные достоинства БМК, заключающиеся в снижении стоимости и времени проектирования, обусловлены: применением БМК для проектирования и изготовления широкого класса БИС; уменьшением числа детализированных решений в ходе проектирования БИС; упрощением контроля и внесения изменений в топологию; возможностью эффективного использования автоматизированных методов конструирования, которая обусловлена однородной структурой БМК.

Наряду с отмеченными достоинствами БИС на БМК не обладают предельными для данного уровня технологии параметрами и, как правило, уступают как заказным, так и стандартным схемам. При этом следует различать технологические параметры интегральных микросхем и функциональных узлов (устройств), реализованных на этих микросхемах. Хотя технологические параметры стандартных микросхем малой и средней степени интеграции наиболее высоки, параметры устройств, реализованных на их основе, оказываются относительно низкими.

6.1 Основные типы БМК

Базовый кристалл представляет собой многослойную прямоугольную пластину фиксированных размеров, на которой выделяют периферийную и внутреннюю области (рис. 1). В периферийной области располагаются внешние контактные площадки (ВКП) для осуществления внешнего подсоединения и периферийные ячейки для реализации буферных схем (рис. 2). Каждая внешняя ячейка связана с одной ВКП и включает диодно-транзисторную структуру, позволяющую реализовать различные буферные схемы за счет соответствующего соединения элементов этой структуры. В общем случае в периферийной области могут находиться ячейки различных типов. Причем периферийные ячейки могут располагаться на БМК в различных ориентациях (полученных поворотом на угол, кратный 90', и зеркальным отражением). Под базовой ориентацией ячейки понимают положение ячейки, расположенной на нижней стороне кристалла.

                                ├──┐      ┌──────────────┐           ├┐ │      │ Периферийная │           ├┘ │      │  ┌────────┐  │           ├──┤       ВО      │  │Внутрен.│  │           ├┐ │      │  │область │  │           ├┘ │      │  └────────┘  │           ├──┼─────┬─────┬─────┬───      │   область    │         ПО├─┐│ ┌─┐ │ ┌─┐ │ ┌─┐ │      └──────────────┘           └─┴┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴────

1	2	3	4	5	6