Перші зразки базових матричних кристалів (БМК) з'явилися в 1975 р як засіб реалізації нестандартних схем високопродуктивної ЕОМ без застосування мікросхем малого та середнього рівнів інтеграції. Розробка БМК дозволила виконати і нетипові частини машини на БІС.
Вартість проектування БІС / НВІС велика і досягає десятків або навіть сотень мільйонів доларів. Тому виробництво таких мікросхем стає рентабельним тільки при достатньо великому обсязі їх споживання. Хороше рішення було знайдено на шляхах розробки БІС, функціонування яких може бути пристосоване до вирішення того чи іншого завдання на заключних етапах їх виготовлення. При цьому напівфабрикати виробляються масово без орієнтації на конкретного замовника. Такі БІС / НВІС називаються полузаказних.
Основа БМК першого покоління - сукупність регулярно розташованих на кристалі базових осередків (БЯ), між якими є вільні зони для створення з'єднань - канали. Така архітектура називається канальної. Базові осередку займають внутрішню область БМК, в якій вони розташовані по рядках і стовпцях, і містять групи нескоммутірованних схемних компонентів (транзисторів, резисторів і т. П.). В периферійній області кристала розміщені осередки введення / виведення, набір схемних компонентів яких орієнтований на реалізацію зв'язків БМК з зовнішніми ланцюгами.
Таким чином, БМК є заготівлею, яка перетворюється в необхідну схему шляхом виконання необхідних з'єднань.
Перші БМК (фірми Amdahl Corp. США) виконувалися посхемотехніке ЕСЛ, для которо повний процес виготовлення включав 13 операцій з фотошаблонах. Відповідно терміни і вартість проектування виходили в 3-5 разів менше, ніж для повністю замовних БІС / НВІС. Плата за скорочення - не оптимальні результату, т. К. Частина їх елементів виявляється надлишкової, взаємне розташування елементів і їх з'єднання не є оптимальними.
Промислове виробництво БМК широко розгорнулося з початку 80-х років минулого століття. Застосовуються технології КМОП, ТТЛШ, ЕСЛ і ін. В даний час рівень інтеграції БМК досяг десятків мільйонів вентилів на кристалі.
При проектуванні БМК прагнуть найкращим чином збалансувати число базових осередків, трасувальні ресурси кристала і число контактних майданчиків для підключення зовнішніх висновків. Для сучасних БМК може знадобитися до 500 ... 1000 зовнішніх висновків.
При описі БМК існують такі основні поняття та визначення:
- базова осередок (БЯ) як певний набір схемних компонентів, регулярно повторюваний на певній площі кристала. Базові осередку внутрішньої області БМК іменуються матричними базовими осередками (МБЯ), осередки периферійної зони - периферійними базовими осередками (ПБЯ). Застосовуються два способи організації осередків БМК:
1) з компонентів МБЯ може бути сформований один логічний елемент, а для реалізації більш складних функцій використовується кілька осередків;
2) з компонентів МБЯ може бути сформований будь-функціональна одиниця, а склад компонентів осередку визначається схемою найскладнішого вузла.
- функціональна осередок (ФЯ) - функціонально закінчена схема, реалізована шляхом з'єднання компонентів в межах однієї або декількох БЯ.
- бібліотека ФЯ - сукупність ФЯ, використовуваних при проектуванні схеми на основі БМК (МАБІС).
Параметри БМК можна розділити на чотири групи:
- функціональні можливості (число еквівалентних вентилів, тип БЯ, число МБЯ і ПБЯ, склад бібліотеки ФЯ і т. п.);
- електричні параметри (рівні напруг, що кодують лог. сигнали, напруги харчування, що споживаються струми, затримки поширення сигналів, максимальні частоти перемикань і т. п.)
- конструктивно-технологічні (тип корпусу, число висновків, число рівнів металізації, площа кристала і ін.)
У світі виготовляються БМК з десятками мільйонів еквівалентних вентилів, що володіють затримками не більше 0,1 ... 0,2 нс.
Виготовлення БМК можна розділити на наступні сім укрупнених етапів:
- вихідне опис проекту;
- формування бази даних і карти замовлення;
- моделювання та верифікація;
- проектування топології і верифікація;
- виготовлення дослідних зразків.
Прагнення автоматизувати процес розробки проекту призвело до появи спеціальних мов програмування БМК. Серед них найбільш популярні мови Verilog Hardware Description Languages (VHDL).
Серед НВІС БМК в даний час найбільш поширені мікросхеми програмованої логіки, що випускаються фірмами Xilinx, Altera, Actel.
4.4. БІС / НВІС з програмованими структурами (CPLD, FPGA, змішані структури)
Мікросхеми ПМЛ і БМК поклали початок двом основним гілкам подальшого розвитку логічних схем з програмованим структурами. Продовженням лінії ПМЛ стали БІС / НВІС складних програмованих логічних пристроїв CPLD, а продовженням лінії БМК - вентильні матриці FPGA. Прагнення об'єднати переваги обох ліній призвело до створення БІС / НВІС змішаної архітектури, для яких не вироблено загальноприйняте назва, фірма Altera, першої випустила такі схеми, назвала їх FLEX (Flexible Logic Element Matrix). Складність таких мікросхем відповідає цілим системам.
У розробці інтегральних схем з програмованої структурою (ІСПС) в даний час беруть участь десятки фірм, провідними серед них є Xilinx, Altera, Acctel, Atmel, Lattic Semiconductor.
Сфера застосування ПЛІС надзвичайно широка, на них можуть будуватися не тільки окремі блоки систем, а й системи в цілому, включаючи процесори і пам'ять.
Класифікація ПЛІС за типом програмованих елементів представлена на рис. 4.4.
Рис.4.4. Класифікація ПЛІС за типом програмованих елементів
Для сучасних ПЛІС характерні наступні типи програмованих ключів:
- перемички типу antifuze;
- транзистори з плаваючим затвором (ЛІЗМОП);
- ключові МОП-транзистори, керовані тригерами пам'яті конфігурації ( «тіньовими» ЗУ).
Програмування за допомогою перемичок antifuze є одноразовим. Сучасні перемички (фірми QuickLogic і Actel) мають високу якість. Перемичка утворена тришаровим діелектриком з чергуванням шарів «оксид-нітрид-оксид», поміщених між провідними полікремнеевой і дифузійної шинами. Тому таку конструкцію іноді ще називають ONO (Oxid-Nitrid-Oxid). Програмує імпульс напруги пробиває перемичку і створює провідний канал з полікремнію між електродами.
Елементи EPROM, EEPROM і флеш-пам'яті використовуються в інтегральних схемах з перепрограммируемой структурою. Інформацію, що зберігається в пам'яті конфігурації, можна видалити за допомогою УФ-опромінення або електричними імпульсами. В даний час мікросхеми з УФ-стиранням практично не випускаються внаслідок дорожнечі корпусу з прозорим віконцем, але випускаються прилади з одноразовим програмуванням (ОТР), виконані за тією ж технологією, але в звичайному корпусі.
Домінуюче становище на ринку інтегральних схем з перепрограммируемой структурою займають ПЛІС з критичної пам'яттю конфігурації. Спрощена схема електронного ключа, використовуваного в цих схемах, наведена на рис. 4.5.
Рис.4.5. Спрощена схема електронного ключа ПЛІС з критичної пам'яттю
Ключовий транзистор VT2 замикає й розмикає ділянку ab в залежності від стану тригера, вихід якого підключений до затвору транзистора VT2. При програмуванні на лінію вибірки подається високий потенціал, і транзистор
VT1 відкривається. З лінії запису / читання подається сигнал, що встановлює тригер в стан лог. «0» або «1». У робочому режимі VT1 замкнений і тригер зберігає незмінне стан. Т. к. Від тригера пам'яті не потрібно високого швидкодії, він проектується з міркувань компактності і максимальної стабільності. Вперше такі схеми були застосовані фірмою Xilinx. Завантаження відповідних даних в пам'ять конфігурації програмує ПЛІС на виконання завдання. Цей процес проводиться багаторазово (необмежену кількість разів) при кожному включенні харчування. Тригери пам'яті розподілені по всьому кристалу. Ключовий транзистор можна назвати програмованої точкою зв'язку ПТС.
Расмотренного підходи до побудови перепрограмованих логічних схем привели надалі до появи більш складних виробів, таких як складні програмовані логігіческіе пристрої (CPLD) і вентильні матриці (FPGA). Ці пристрої виконують більш складні функції і мають в своєму складі функціонально закінчені логічні блоки, включаючи оперативну пам'ять. Вони призначені для вирішення складних завдань з управління та обробці сигналів. Напрямки БІС / НВІС з змінювати програму структурами продовжує інтенсивно розвиватися в даний час. При цьому вирішальне значення має автоматизація проектування складних цифро-аналогових пристроїв. Цьому обстояльству зобов'язані появою сучасні мови опису апаратури (HDL), призначені в кінцевому підсумку для отримання кодів для вищеописаних ПТС. Прикладами таких мов низького рівня можуть служити мови PLDASM (Intel), AHDL (Altera), ABEL (Xilinx). Серед мов високого рівня відомі VHDL і Verilog.