Основные проблемы современной аналоговой микросхемотехники

Содержание

1. Эволюция СБИС. Системы на кристалле, в корпусе и на подложке

2. Базовые технологии и их ограничения

3. Проблемы проектирования микросхем с низковольтным питанием

4. Микросхемотехника аналоговых и аналого-цифровых СФ блоков

Библиографический список

1. Эволюция СБИС. Системы на кристалле, в корпусе и на подложке

Переход на субмикронную и частично глубокую субмикронную технологии наглядно показал, что эффективность применения БИС и СБИС микроконтроллеров любой архитектуры в радиоэлектронной аппаратуре определялась качеством и номенклатурой периферийных ИС, образующих интерфейс связи с датчиками и исполнительными устройствами соответствующей мини-системы. Низкая надежность и помехозащищенность внешних (внекристалльных) соединений, сложность тестирования и поиска неисправностей сделали экономически целесообразной замену плат и мини-блоков. Именно поэтому и произошел переход от мини-систем к микросистемам – системам на кристалле (СнК), где указанные соединения реализуются в кристалле или на побложке. Отметим, что первоначально для задач управления микро- и мини-роботов, а также для сверхточного управления традиционными объектами были разработаны микросистемы – относительно несложные микроизделия, реализующие весь цикл измерения и преобразования от сенсора до исполнительного механизма. Эта область (микросистемная техника) имеет самостоятельное развитие, где ограничивающими факторами в первую очередь являются материалы и технологические нормы изготовления микросенсоров и исполнительных механизмов.

Современные задачи связи, автоматического управления и техники специальных измерений требуют для обеспечения относительно высокой серийности изделий не только кардинального повышения надежности, но и возможности их программной адаптации к решаемой задаче. Именно поэтому такие системы должны иметь очень мощное программируемое ядро с набором быстродействующих областей памяти констант (программ) и данных. Реализовать указанное можно либо применением новых дорогостоящих материалов, либо за счет перехода в цифровой части системы на глубокую (≤ 0,35 мкм) субмикронную технологию. Однако даже для цифрового процессора в любом случае важнейшей задачей в процессе производства и эксплуатации остается тестирование.

В перспективе в рамках систем на кристалле могут быть решены многие проблемы интеграции аналоговых, цифровых, радиочастотных (RF) и даже более экзотических структур – микромеханические системы (MEMS), датчики, силовые приводы, химические преобразователи, оптические блоки и т.п. Поэтому в современной интерпретации СнК является сложной интегральной схемой, объединяющей на одном чипе или чипсете все основные функциональные элементы полного конечного продукта. В общем случае СнК как проект включает в себя как минимум один программируемый процессор, внутрикристалльную память и аппаратно реализованные ускоряющие функциональные элементы. В состав СнК также входят интерфейсы с периферийными устройствами и(или) с внешней средой, именно поэтому их базовым признаком являются аналоговые компоненты, узлы и устройства.

Следует подчеркнуть, что слово «система» в термине «система на кристалле» важней, чем слово «кристалл». Потребности практики всегда опережают технологические возможности, поэтому для многих наиболее наукоемких приложений оказывается целесообразным проектирование функциональных блоков как часть интегрированного целого, а физически они размещаются не в кристалле, а на одной подложке и корпусе. Такие системы – SysteminPackage (SiP), SystemonPackage (SoP) – оказываются более надежными, качественными и дешевыми, но при этом они проектируются как единое целое. Их составные части – сложно-функциональные блоки (СФ блоки) – являются также интегрируемыми проектами СнК (IP блоки) и основой повышения производительности и «живучести» проектирования за счет повторного использования этого интеллектуального продукта.

Важным фактором в развитии такого подхода явилось создание организации VirtualSocketInterface (VSI) Alliance, объединяющей ведущие электронные фирмы для разработки эффективных методов повторного использования IP, стандартных требований по их созданию и обмену. Деятельность ассоциации позволила установить необходимые «горизонтальные» связи между системными компаниями, дизайн-центрами и компаниями, занимающимися САПР. Можно утверждать, что без таких ассоциаций развитие современной микроэлектронной техники невозможно.

Указанное проектирование оказало решающее влияние на электронную промышленность в целом. Эволюция технологических процессов при-вела к резкому увеличению единовременных расходов. Например, стоимость шаблонов на уровне 0,13 мкм приближается к 1,0 млн долл. Но более быстрыми темпами росли затраты на проектирование отдельных устройств. Так, даже при значительных успехах в повторном проектировании (IP) стоимость СиК на уровне 0,13 мкм оценивается от 5,0 до 20,0 млн долл. Статистика последних лет показывает, что общее число проектов в классе специализированных интегральных схем (ASIC проектов) сократилась практически в 3 раза. Однако произошло увеличение проектов в сегменте стандартных ИС (ASSP) и полузаказных (FPGA) ИС (БМК, ПЛИС, ПАИС, ПЛМ), которые можно классифицировать как СнК в начальной форме.

Такой сдвиг в стилях проектирования привел к ряду последствий в электронной промышленности. Во-первых, если РЭА может технически ориентироваться на полузаказные ИС, то это оказы