Джим Липман

    Системы полного проектирования однокристальных устройств позволяют дополнять отработанные цифровые модули аналоговыми схемами, памятью, а иногда и СВЧ блоками. Передовые технологические процессы позволяют этим совершенно разным устройствам сосуществовать на одном кристалле кремния.
    астоящая технология однокристальных систем (SOC) на основе стандартных ячеек подразумевает размещение на кремниевой подложке не только одной огромной цифровой логической схемы. Для получения законченных электронных систем разработчики должны иметь возможность проектировать и компоновать на кристаллах блоки принципиально других типов прецизионные аналоговые схемы, специальные модули памяти, а для некоторых приложений и СВЧ-модули (рис. 1). Для успешной реализации проектов однокристальных устройств необходимы хорошие системы САПР и специальная методология проектирования. Однако, главную часть полного проекта однокристального устройства составляет технологический процесс обработки кристалла кремния, который позволяет реализовать все эти различные технологии на одной подложке.

Рис. 1 Этот выносной декодер компании SAMSUNG включает 32-битное RISC ядро (ARM7TDMI), быстродействующую цифровую логику, блок обработки смешанных сигналов, флэш-память и DRAM. Изготовление такой системы на одном кристалле требует процесса, который может реализовать все эти технологии

    Процессы, которые необходимы для разработки различных технологических модулей на кристалле кремния, требуют от "кремниевых мастерских" модификации современных процессов изготовления высокоскоростных цифровых логических устройств. Как правило, эти изменения представляют собой введение дополнительных технологических циклов в традиционный процесс, в результате чего стоимость всего базового цифрового процесса увеличивается. Наряду с увеличением стоимости производства самого кристалла, некоторые характеристики аналоговых модулей, изготовленных с помощью этих дополнительных производственных циклов, могут оказаться несколько худшими по сравнению с отдельными изделиями, изготовленными по специально оптимизированным для данного типа устройств технологическим процессам. Несмотря на это, суммарный выигрыш в конечной стоимости, потребляемой мощности и быстродействии однокристальных устройств зачастую перевешивает альтернативные системы на дискретных кристаллах, оптимизированных для цифровых, аналоговых или иных функций.

Существующие технологии изготовления однокристальных устройств

    Большинство компаний, занимающихся разработкой и изготовлением специализируемых интегральных схем (ASIC), решают задачу однокристальных устройств по модульному принципу. Компании начинают с технологического цикла по изготовлению быстродействующего цифрового КМОП модуля, затем с помощью наложения защитных масок на определенные области кристалла последовательно выполняют все шаги, реализующие другие технологии поверх цифрового процесса. Эти технологии могут включать изготовление прецизионных аналоговых устройств; статических и динамических ОЗУ, флэш-памяти с высокой плотностью размещениях; а также BiCMOS-устройств для СВЧ и сильноточных приложений. Из всех этих устройств наиболее важным дополнением для однокристальных систем являются аналоговые. И к сожалению, именно добавление аналоговых функций к цифровому устройству на базе КМОП порождает массу технологических и проектных проблем (см. врезку "Проблемы аналоговых модулей в проектировании однокристальных систем"). Несколько приведенных ниже примеров иллюстрируют, как компании производители полупроводников реализуют полные возможности однокристальных устройств, и как модульный принцип отражается на стоимости кристалла и его характеристиках.
    Технологический процесс компании Lucent Technologies начинается с 0,25-микронного КМОП цикла с использованием пяти слоев металлизации (эффективная длина канала при этом составляет 0,18 микрон). Компания дополняет этот базовый процесс изготовления устройств с быстродействием до 300 МГц добавочными технологическими циклами, которые могут быть включены как отдельно, так и в комбинации. Сюда входят: изготовление прецизионных аналоговых модулей на основе транзисторов с малым пороговым напряжением и прецизионных конденсаторов (технология metal-to-metal) для обеспечения высокой линейности по напряжению и хорошего согласования элементов; изготовление биполярных транзисторов по BiCMOS технологии, работающих на частотах до 35 ГГц, для СВЧ и линейных (слаботочных) приложений; реализацию высокоплотных модулей статических ОЗУ с ячейками на шести транзисторах с малым временем доступа и объемом памяти до 4 Мбит, флэш-памяти с напряжением питания 5 В и объемом до 8 Мбит; изготовление программируемых устройств на основе схем на стандартных ячейках и программируемых лазером вентильных матриц (LPGA), выполненных по лицензионной технологии компании Chip Express (www.chipexpress.com).
    Устройства, изготовленные по технологии компании Lucent имеют весьма хорошие характеристики. Так, например, технологический цикл по изготовлению аналоговых модулей позволяет реализовывать сигма-дельта АЦП до 18 разрядов, а цикл BiCMOS позволяет создавать СВЧ модули, работающие на частоте 1,9 ГГц. Однако, дополнительная обработка подложки повышает стоимость изготовления. К основному 0,25-микронному технологиче-скому процессу с 17 масками каждый из этих циклов добавляет от двух (для статических ОЗУ) до пяти (для флэш-памяти) шагов маскирования. Каждый такой шаг увеличивает стоимость обрабатываемой подложки на 25%. Таким образом, введение дополнительных технологиче-ских циклов приводит к удорожанию конечного изделия приблизительно на 7 и 18% для высокоплотных модулей статических ОЗУ и флэш-памяти, соответственно. Для выполнения модулей динамических ОЗУ компания в настоящий момент осваивает лицензионную технологию и планирует ввести ее в работу в начале этого года.
    В основе технологического процесса компании Samsung также лежит 0,25-микронный КМОП процесс с пятью слоями металлизации с некоторыми отличиями, направленными на реализацию быстродействующих цифровых логических модулей. Аналогичным образом, компания начинает изготовление кристалла с логиче-ской схемы, а в последующем добавляет этапы изготовления аналоговой схемы, статического и динамиче-ского ОЗУ и флэш-памяти в различных комбинациях. Основной процесс (STD120) имеет один полисиликоновый слой; совмещение логической схемы и флэш-памяти (MFL120) добавляет два полисиликоновых слоя; совмещение логической схемы и динамического ОЗУ (MDL120) добавляет четыре полисиликоновых слоя.
    Совмещенный процесс изготовления логики и динамических ОЗУ увеличивает объем технологических операций относительно базового процесса на 35%, что делает его дороже почти на треть. Технология позволяет создавать на кристалле модули памяти размером 128 Мбит с шириной слов ввода/вывода 1024 бит. Изготовление флэш-памяти требует на 30% большего количества масок и технологических операций. В настоящий момент компания Samsung реализует эту технологию на основе 0,35-микронного процесса и одновременно осуществляет переход на 0,25-микронный процесс. Изготовление аналоговых схем требует двух дополнительных шагов маскирования: один для изготовления конденсаторов metal-to-metal, другой для полисиликоно-вых конденсаторов poly-to-poly. По оценкам компании Samsung, внедрение 0,25-микронного процесса позволит создавать совмещенные модули статических ОЗУ объемом до 1,5 Мбит с логическими схемами с числом вентилей до 0,5 млн. или модули динамических ОЗУ объемом 64 Мбит с логическими схемами с числом вентилей до 1 млн. Использование 0,25-микронного процесса позволит обеспечить максимальный размер флэш-памяти до 32 Мбит. Для блоков обработки смешанных сиг-налов, изготовленных по этому процессу, компания Samsung оценивает верхний предел рабочих частот как 0,250,5 ГГц, позволяя разработчикам осуществлять некоторые высокочастотные функции на том же кристалле.
Компания NEC аналогично компаниям Lucent и Samsung добавляет к 0,25-микронному процессу изготовления цифровых КМОП схем технологические циклы изготовления аналоговых и BiCMOS схем, а также динамических ОЗУ и флэш-памяти.     Для исполнения быстродействующих аналоговых схем компания NEC использует две дополнительных маски, с помощью которых получает прецизионные конденсаторы и полисиликоновые резисторы. Флэш-память требует еще двух дополнительных этапов маскирования. Изготовление биполярных транзисторов по технологии BiCMOS для СВЧ модулей требует четырех дополнительных этапов. Технология BiCMOS позволяет разработчикам проектировать устройства с рабочей частотой до 2,4 ГГц. Технология изготовления динамических ОЗУ компании NEC выглядит несколько сложнее по сравнению с технологией компании Samsung здесь используется вдвое большее число масок, чем при изготовлении логических схем, что приводит к ее удорожанию на 6080%.
    Для проектирования однокристальных устройств с СВЧ модулями наиболее подходит 0,18-микронный технологический процесс G12 компании LSI Logic (при этом эффективная длина канала составляет 0,13 микрон). Значение граничной частоты транзисторов с каналом n-типа составляет 70 ГГц, а для транзисторов с каналом p-типа 40 ГГц. Применение диэлектриков с низким значением коэффициента диэлектрической проницаемости позволяет снизить паразитную межслойную емкость, а специальная технология изоляции позволяет обеспечить развязку между СВЧ и цифровым модулем на уровне 110 дБ. Все это дает возможность компании LSI реализовывать достаточно сложные СВЧ устройства на КМОП кристалле. Для изготовления динамических ОЗУ на ячейках с одним транзистором в настоящий момент компания LSI использует 0,25-микронный процесс G11 и в скором времени планирует перейти на процесс G12. Для реализации аналоговых схем компания использует полисиликоновые резисторы, выполняемые по технологии, аналогичной технологии компании NEC.

Специализированное ОЗУ

    Большинство библиотек специализируемых интегральных микросхем включает такие параметры статических ОЗУ, которые реализуются с помощью фиксированных блоков или с помощью специального компилятора ячеек [1]. Компании, занимающиеся производством специализированных микросхем развивают эту технологию самостоятельно, приобретают ее у третьих фирм-продавцов встраиваемой памяти или заключают технологические соглашения. Компания Artisan, продавец встраиваемых статических ОЗУ, предлагает своим клиентам высококачественные модули памяти, ориентированные на базовый технологический процесс клиента. Для 0,25-микронных процессов компания предлагает одно- и двухпортовые модули статических ОЗУ HS300, работающие на частоте 300 МГц (худший случай). В типовых условиях эти модули имеют объем 64 кбит и могут работать на частоте 500 МГц. Недавно анонсированное семейство одно- и двухпортовых модулей HS500, предназначенных для 0,18-микронных процессов, работает со скоростью 500 МГц (худший случай) и 850 МГц (в типовых условиях). Компания Artisan также предлагает малопотребляющее семейство статических ОЗУ LP133, ориентированное на 0,25-микронный процесс. Эти однопортовые устройства имеют объем памяти 64 кбит и рассеивают мощность 0,2 мВт/МГц при напряжении питания 1,8 В. Однако, это семейство достаточно дорого за один целевой технологический процесс и сопутствующие материалы придется заплатить 500 тыс. долл.
    Несмотря на то, что некоторые компании производители полупроводников уже комбинируют изготовление динамических ОЗУ с изготовлением цифровых логических схем, начинающая компания Silicon Access анонсировала свою новую серию DRAMatic однотранзисторных запоминающих устройств с высокой плотностью размещения [2]. Устройства серии DRAMatic занимают целую область на диаграмме, представленной на рис. 2 и показывающей соотношение размеров адресных слов. Высокая разрядность слова ввода/вывода модуля особенно интересна для однокристальных приложений, так как она обеспечивает наибольшую скорость доступа к памяти, а так же из-за того, что для связи с логической схемой не понадобится никакого интерфейса. Исполнение модулей логики и динамического ОЗУ на одном кристалле дает выигрыш в рассеиваемой мощности по сравнению с исполнением аналогичного устройства на отдельных кристаллах. Объединение этих двух модулей на одном кристалле позволяет также уменьшить суммарное количество выводов корпуса микросхемы, а значит и снизить конечную ее стоимость "в корпусе".

Рис. 2 Модули динамического ОЗУ DRAMatic производства компании SILICON ACCESS предоставляют разработчикам широкий выбор параметров

    Реализация устройств серии DRAMatic в системах, объединяющих цифровую схему и динамическое ОЗУ, возможна как за счет введения дополнительных технологических циклов в базовый процесс изготовления цифровых логических схем, так и наоборот, за счет введения дополнительных слоев металлизации для реализации цифровой логики в базовый процесс изготовления статических ОЗУ. От большинства однокристальных устройств требуется максимальная скорость работы логической схемы, поэтому целесообразно использовать первый способ, так как использование процесса изготовления динамических ОЗУ в качестве базового отрицательно сказывается на быстродействии цифрового модуля. Дополнительные технологические циклы для изготовления модулей серии DRAMatic включают нанесение десяти масок и увеличивают стоимость производства на 2040% по сравнению с обычным 0,25-микронным процессом. Компания Silicon Access предлагает серию DRAMatic как ядро для целевых приложений или как компилятор динамических ОЗУ. Стоимость ядра составляет приблизительно от 100 до 150 тыс. долл., цена на компилятор пока не определена.

Могут ли однокристальные устройства быть совместимы с программируемыми вентильными матрицами?

    Современные программируемые логические устройства могут содержать сотни тысяч логических вентилей, поэтому вполне логично задать вопрос, существуют ли какие-либо разработки однокристальных устройств на основе программируемых вентильных матриц (FPGA или CPLD)? В контексте данной статьи, где рассматриваются кристаллы с большим объемом цифровой логики, аналоговых схем и различных модулей памяти, напрашивается только один ответ нет. Многие из ве-дущих производителей программируемой логики, такие как Actel (www.actel.com), Altera (www.altera.com), и Xilinx (www.xilinx.com), проводят агрессивные программы совместно с третьими фирмами, поставщиками программных и аппаратных решений на основе программируемых матриц. Однако, в настоящее время все эти разработки включают только цифровые логические модули. Кроме того, статические ОЗУ единственный тип памяти, доступный для реализации в этих цифровых программируемых логических устройствах.
    Даже если производители программируемой логики преодолеют множество технических проблем, связанных с совмещенным изготовлением аналоговых и смешанных модулей на базе вентильных матриц, спрос на такие устройства, скорее всего, останется низким, так как при приблизительно равных размерах каналов они работают медленнее по сравнению с устройствами на основе стандартных ячеек. А последние, именно из-за этого разрыва в параметрах, в ближайшем будущем останутся единственным средством реализации проектов однокристальных устройств.

Выбор технологического процесса

    Итак, если вы окончательно решили заняться разработкой смешанных однокристальных устройств, до того как получится первое изделие вам предстоит проделать огромный объем работы. Одновременно с выбором методологии и инструментов проектирования, библиотек ячеек и ядер, являющихся интеллектуальной собственностью других компаний, необходимо определиться с технологическим процессом, на базе которого будет осуществлен ваш проект.
    Параметры цифровых логических КМОП схем различных производителей специализированных микросхем при сходных технологических процессах почти одинаковы. Большинство различий в характеристиках следует из расхождений между архитектурой и топологией библиотечной ячейки и ее реализации в конечном проекте. Некоторые отличия в быстродействии и потреблении могут наблюдаться для разных исполнений одного и того же устройства с помощью одного технологического процесса, что связано с разным количеством слоев металлизации или другим шагом металлизации. Большее количество слоев металлизации или меньший шаг делает топологию кристалла более плотной, что положительно сказывается на конечных параметрах устройства. Реализация аналоговых модулей, однако, имеет принципиальные отличия.
    Несмотря на то, что разные производители на сходных процессах получают похожие параметры цифровых модулей, каждый из них имеет собственный подход к изготовлению аналоговых блоков на основе дополнительных технологических циклов к базовому цифровому процессу. Различия в этих технологиях требуют от разработчика проверки способности производителя удовлетворить требования к аналоговой части вашего проекта однокристального устройства. Это особенно важно, когда требуется получить хорошую развязку между цифровой и аналоговой частями кристалла.
    Наконец, необходимо определить все технологиче-ские требования к модулям памяти вашего однокристального устройства и найти производителя, способного выполнить их. Определите тип компилятора, размеры блоков и ограничения конфигурации памяти, затем разделите ваш проект так, чтобы вписаться в эти пределы. Запомните, что на одном кристалле невозможно реализовать и максимальный объем памяти, и максимальный объем логической схемы, поэтому следует убедиться, что выбранный вами производитель микросхем сможет изготовить ваше устройство на одном кристалле кремния в том виде, в котором вам необходимо поддерживать все эти технологии.

Резюме для специалистов:

    Современные проекты однокристальных систем позволяют реализовывать высокоскоростные цифровые модули совместно с аналоговыми схемами и блоками памяти.
    Изменение существующего технологического процесса изготовления цифровых логических схем наиболее простое решение задачи производства однокристальных устройств, но оно приводит к некоторому увеличению стоимости производства. Полные возможности технологических процессов производства однокристальных устройств отстают от передовых процессов изготовления цифровых логиче-ских схем на одно или два поколения.
    Так как технологии изготовления однокристальных устройств у разных производителей отличаются, требуется время для полного осознания всех возможностей выбранного вами производителя.

Литература

• Lipman Jim, Not just your basic ASIC libraries, EDN, June 5, 1997, pp. 52.
• Dipert Brian, Embedded memo-ry: the all-purpose core, EDN, March 13, 1998, pp. 34.

EDN, сентябрь 1998
Перевод Ю. Потапова