1.8. Специализированные интегральные

С точки зрения многих разработчиков цифровых устройств самым интересным достижением в технологии ИС является, по-видимому, не постоянный рост объема кристаллов, а все время расширяющиеся возможности сконструировать свою собственную микросхему. Микросхемы, предназначенные для применений частного характера или для использования лишь в изделиях определенного типа, называются полузаказными ИС (semicustom ICs) или специализированными ИС (application-specific ICs, ASICs). В общем случае применение ИС типа ASIC сокращает совокупную стоимость используемых компонентов и изготовления изделия за счет уменьшения числа микросхем, размеров и потребляемой мощности; часто, используя ИС типа ASIC, удается получить лучшие характеристики.

Единовременные затраты на проектирование [nonrecurring engineering {NRE) cost] одной ИС типа ASIC могут превышать стоимость разработки на основе отдельных серийных ИС на 5...250 тысяч долларов. Эти средства должны быть уплачены производителю ИС или тем людям, которые возьмут на себя ответственность за проектирование внутренней структуры микросхемы, создание оснастки типа металлизированных фотошаблонов, используемых при выращивании кристалла, разработку средств тестирования готовой продукции и фактическое изготовление нескольких первых образцов.

Единовременные затраты на проектирование типичной ИС типа ASIC средней сложности объемом около 100 000 вентилей составляют от 30 до 50 тысяч долларов. В обычных условиях проектирование заказной ИС имеет смысл только в том случае, когда указанные затраты можно будет покрыть за счет экономии на себестоимости каждого изделия при ожидаемом объеме продаж.

Если речь идет о проектировании заказной БИС (custom LSI), то есть микросхемы, функции которой, внутренняя архитектура и структура кристалла на уровне транзисторов определяются индивидуальным заказом потребителя, то единовременные затраты на проектирование оказываются очень большими и могут составить 250 тысяч долларов и более. Поэтому проектирование специализированной БИС с нуля осуществляется только в том случае, когда ее применение имеет хорошую коммерческую перспективу или большой объем продаж изделий с ее использованием (например, цифровые наручные часы, сетевой интерфейс или схема сопряжения с системной шиной персонального компьютера).

Чтобы сократить начальные затраты на проектирование, производителями ИС были составлены библиотеки стандартных элементов (standardcells), которые включали широко используемые блоки средней степени интеграции типа дешифраторов, регистров и счетчиков, а также блоки, реализующие наиболее употребительные функции БИС, такие как запоминающие устройства, программируемые логические матрицы и микропроцессоры. При проектировании с использованием стандартных элементов (standard-cell design) разработчик соединяет библиотечные блоки между собой точно так же, как это осуществлялось бы при проектировании с использованием отдельных СИС и БИС. Специализированные элементы создаются только в случае крайней необходимости (за дополнительную плату, конечно). Затем все элементы размещаются в кристалле, причем схема их расположения оптимизируется с целью сокращения задержек распространения сигналов и размеров микросхемы. Минимизация размеров кристалла позволяет сократить стоимость одного изделия, так как при этом увеличивается число кристаллов, которые можно изготовить на одной полупроводниковой пластине. В типичном случае затраты на проектирование с использованием стандартных элементов составляют порядка 150 тысяч долларов.

Но 150 тысяч долларов — это все еще большие деньги для многих людей. Поэтому производители ИС сделали еще один шаг по продвижению идеи проектирования специализированных микросхем в массы. Были предложены вентильные матрицы (gate arrays), то есть ИС, внутренняя структура которых представляет собой решетку вентилей, соединения между которыми первоначально не заданы. Разработчик логического устройства определяет типы вентилей и устанавливает соединения между ними. В результате проектирование кристалла осуществляется на таком очень низком уровне, но разработчик остается при этом на высоком уровне, оперируя «макроэлементами», реализующими те же функции, что и отдельные СИС и БИС или стандартные библиотечные элементы; для переноса с высокого уровня проектирования на низкий используется соответствующее программное обеспечение.

Главное отличие проектирования с использованием стандартных элементов от проектирования на основе вентильных матриц заключается в том, что в последнем случае макроэлементы и размещение в кристалле не оптимизируются в той степени, в какой это осуществляется в изделии, созданном на основе стандартных элементов. В результате размеры кристалла могут увеличиться (на 25% и более) и поэтому может возрасти его стоимость. Кроме того, при проектировании на основе вентильных матриц нет возможности создавать собственные элементы. Но с другой стороны, такой проект можно выполнить быстрее, а начальные затраты на его осуществление могут оказаться меньшими и лежать в пределах от 5 тысяч долларов (о которых было сказано в самом начале) до 75 тысяч долларов. (Когда все будет сделано, вы обнаружите, что потрачено именно столько.)

Основные методы проектирования цифровых устройств, которые вы изучите с помощью этой книги, вполне подходят для функционального конструирования специализированных ИС. Однако при проектировании таких ИС обычно необходимо принять во внимание дополнительные возможности или ограничения, зависящие, как правило, от конкретного заказчика и условий осуществления проекта.