eng
Выпуск #8/2016
А.Денисов, В.Коняхин
Перспективная элементная база для аппаратуры с жесткими условиями эксплуатации
Перспективная элементная база для аппаратуры с жесткими условиями эксплуатации
Просмотры: 5077
Рассмотрены особенности базовых матричных и базовых кристаллов как основы для реализации специализированных микросхем. Представлены современные серии базовых кристаллов 5521 и 5529, а также БМК малой степени интеграции серий 5503 и 5507.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.22.31
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.22.31
Микроэлектроника является одной из отраслей промышленности, определяющих научно-технический прогресс общества. Большинство процессов, связанных с развитием микроэлектроники, носит выраженный экспоненциальный характер. В отличие от обычных отраслей промышленности, где создание более быстрого и лучшего устройства с удвоенными функциональными возможностями обычно удваивает стоимость разработки и производства изделия, в микроэлектронике справедливо обратное: переход на новые (меньшие) технологические нормы приводит к удешевлению с одновременным увеличением функциональных возможностей интегральных микросхем.
В этих условиях актуальна задача ускорения темпов разработки электронной компонентной базы (ЭКБ) для современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в особенности – больших интегральных схем (БИС), которые можно разделить на два основных класса: универсальные и специализированные.
К первому классу относятся микропроцессоры, микроконтроллеры, периферийные устройства, устройства памяти (ПЗУ, ОЗУ и т.д.), серии стандартных микросхем и др., то есть микросхемы, функциональные возможности которых носят универсальный характер и могут быть использованы в различных устройствах и системах. Объем производства микросхем данного класса составляет сотни тысяч и миллионы штук в год, что минимизирует затраты на их проектирование и освоение в производстве.
Специализированные микросхемы выполняют в аппаратуре конкретные специфические функции, присущие только ей, и в большинстве случаев не могут быть использованы где-либо еще. С завершением производства аппаратуры исчезает потребность и в выпуске предназначенных для нее специализированных микросхем. Как правило, серийность специализированных микросхем напрямую связана с объемом выпуска аппаратуры, в которой они применяются. Существует большая номенклатура специализированных микросхем с огромными объемами выпуска, например БИС, применяемые в автомобильной электронике, бытовой и компьютерной технике и др. При производстве таких микросхем затраты на их проектирование и организацию массового выпуска легко окупаются. Это наиболее рентабельный сектор рынка микроэлектроники.
Однако в современном обществе существует потребность в тысячах типов специализированных микросхем, которые выпускаются для удовлетворения нужд отдельных отраслей промышленности и конкретных типов РЭА. Объем производства таких микросхем может составлять от нескольких десятков до нескольких тысяч штук в год. Способность разрабатывать и производить их во многом определяет научно-технический и оборонный потенциал страны. Не случайно в санкционный список США против России попали крупнейшие предприятия отечественной микроэлектроники АО "Ангстрем" и ПАО "Микрон", являющиеся флагманами в производстве специализированных БИС.
Особую, наиболее сложную группу среди специализированных микросхем составляют БИС, применяемые в аппаратуре космического назначения и эксплуатируемые в условиях действия жестких внешних воздействующих факторов (ВВФ). Как правило, номенклатура таких микросхем велика, сроки разработки аппаратуры ограничены, а серийность, в силу специфики аппаратуры, часто не превышает нескольких сотен изделий в год. Производство, как правило, имеет прерывистый характер, а основной вклад в стоимость микросхем вносят затраты на освоение производства и проведение квалификационных и периодических испытаний для подтверждения уровня качества.
Современные специализированные микросхемы можно разделить на три группы: заказные микросхемы, программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и полузаказные БИС на основе базовых (БК) или базовых матричных кристаллов (БМК). Принято считать, что полностью заказные микросхемы обеспечивают максимальную функциональность, надежность и стойкость к ВВФ, минимальную стоимость при массовом производстве, но экономически не эффективны при малых объемах выпуска, так как требуют максимальных затрат при разработке и освоении производства. ПЛИС обладают преимуществами при разработке и отладке проекта микросхемы в составе аппаратуры. В то же время наличие дополнительных элементов для программирования снижает их надежность и увеличивает энергопотребление. По сравнению с заказными БИС стоимость ПЛИС существенно выше. Полузаказные БИС занимают промежуточное положение между полностью заказными микросхемами и ПЛИС. По показателям надежности, энергопотребления и стойкости к ВВФ они сравнимы с заказными БИС, а по длительности цикла "разработка – изготовление – поставка" сопоставимы с ПЛИС. Производство БМК и БК, как правило, поддерживается в течение длительного времени (более 15 лет). Дополнительно необходимо учитывать, что ПЛИС военного и космического назначения (уровней качества Military и Space) из-за введенного эмбарго в Россию не поставляются.
Выбор способа реализации специализированных БИС определяется множеством факторов, но, как правило, именно полузаказные БИС обеспечивают наилучшее соотношение эксплуатационных и экономических показателей. Рассмотрим особенности БМК и БК, как основы для реализации специализированных микросхем.
КОНСТРУКЦИЯ БМК
Базовый матричный кристалл (БМК) (англоязычные термин ULA, Uncommited Logic Array) – это универсальная заготовка в виде кремниевой пластины, на которой сформированы кристаллы с матрицей транзисторных структур. Такие кристаллы называют базовыми, поскольку все фотошаблоны для их изготовления, за исключением слоев металлизации, являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Простейшие элементы (КМОП-транзисторы) располагаются в виде регулярной матрицы, поэтому кристалл называют матричным. В отличие от ПЛИС, логика работы которых задается посредством программно-управляемых элементов, специализация БМК формируется технологически в процессе микроэлектронного производства. Изготовление конкретной БИС заключается в выполнении завершающих технологических операций над кремниевыми пластинами с кристаллами-заготовками БМК. При этом в одном или нескольких слоях металлизации осуществляется коммутация КМОП-транзисторов на поле матрицы для формирования цепей схемы. В сравнении с ПЛИС в структуре БМК отсутствуют избыточные элементы, что в несколько раз снижает общую сложность микросхемы и повышает ее надежность.
В конструкции БМК можно выделить регулярное поле, окруженное областью периферийных контактов. Для определения размера поля БМК используется понятие "эквивалентный вентиль". Один эквивалентный вентиль соответствует четырем КМОП-транзисторам, на которых можно реализовать логическую функцию "2И-НЕ" или "2ИЛИ-НЕ". При этом необходимо различать фактический размер поля и количество эквивалентных вентилей, которые могут быть использованы при реализации конкретной микросхемы. Отношение использованных эквивалентных вентилей к размеру поля БМК называется коэффициентом заполнения.
Сложность реализуемых на БМК микросхем определяется многими факторами: размером поля БМК, количеством доступных для использования внешних контактов, эффективностью средств проектирования, развитостью библиотеки функциональных ячеек, их быстродействием, возможностями охлаждения микросхем в аппаратуре и многими другими. На практике не удается использовать все 100% поля БМК. При заполнении поля кристалла менее чем на 70%, как правило, удается спроектировать топологию автоматически средствами САПР без вмешательства разработчика. При большем коэффициенте заполнения топология разрабатывается в интерактивном режиме с участием разработчика. Это усложняет процесс проектирования, но позволяет использовать кристалл меньшего размера, производство которого будет дешевле. Поэтому обычно БМК разрабатываются сериями. Серию составляют несколько конструктивно подобных БМК, имеющих общую библиотеку функциональных ячеек и различающихся размером поля кристалла и количеством внешних выводов. Для каждого большего по размеру типа БМК в серии размер поля обычно увеличивается примерно вдвое. Серии БМК также могут состоять из одного типоразмера кристалла, изготавливаемого в различных типах корпусов.
Конструкция БМК, как правило, строится на 4-транзисторных базовых ячейках. Подобные ячейки позволяют эффективно использовать ресурсы БМК и реализовывать любые схемотехнические решения. Однако встречаются БМК с разногабаритными ячейками или с регулярно повторяющимися транзисторными структурами.
По конструкции поля наибольшее распространение получили БМК, имеющие "канальную" организацию и БМК типа "море вентилей". При канальной организации поле БМК представляет собой последовательность столбцов или строк ячеек и каналов для трассировки (рис.1а). При использовании организации "море вентилей" поле БМК представляет собой сплошную регулярную структуру однотипных ячеек (рис.1b).
КОНСТРУКЦИЯ БК
БМК свойственны существенные ограничения, которые обусловлены применением однотипных транзисторов, предназначенных для построения схем цифровой обработки, но не позволяющих реализовывать сложные аналоговые и другие схемы, имеющие какие-либо особенности.
Указанный недостаток устраняется при применении базовых кристаллов. Современный БК имеет фиксированную периферийную область, как правило, совпадающую с периферийной областью БМК, но в поле БК фиксируются только цепи организации системы питания микросхемы. Это позволяет создавать на поле БК как матрицы различных цифровых транзисторов, аналогичные БМК, так и другие схемы (рис.2). Следует отметить, что БМК является фактически частным случаем БК, когда все поле последнего занято ячейками цифровых транзисторов.
Возможность реализации на поле БК матриц транзисторов различной мощности позволяет повысить частоту срабатывания триггеров более чем в два раза, что обеспечивает повышение системной частоты обработки информации, а также минимизирует площадь схемы.
Обычно с привязкой к конструкции БМК и БК создаются сложно-функциональные блоки (СФ-блоки), которые реализуют различные функции, такие как микропроцессорные ядра, микроконтроллеры, блоки памяти, интерфейсные блоки, блоки аналого-цифровой обработки и многие другие. Очень важно, что библиотека СФ-блоков может создаваться постепенно в процессе эксплуатации серии БМК и БК, как дополнительный результат проектирования конкретных БИС, а применение отработанных, прошедших экспериментальное апробирование СФ-блоков позволяет повысить качество разработки и сократить затраты на стадии проектирования микросхемы.
Следует отметить, что современные конструктивно-технологические базисы как на объемном кремнии, так и на структурах "кремний на изоляторе" позволяют создавать БК с повышенной устойчивостью к ВВФ, в том числе для аппаратуры космического назначения.
Таким образом, БК и БМК наиболее перспективны для создания специализированных микросхем, особенно с повышенными требованиями к надежности в жестких условиях эксплуатации. Рассмотрим современные серии БК 5521 и 5529 [1–4], изготовленные по технологическим нормам 180 нм и 250 нм, а также БМК малой степени интеграции серий 5503 и 5507. Указанные БК и БМК составляют семейство серий, имеющих единую библиотеку функциональных ячеек, общие средства проектирования и аналогичные корпусные исполнения. Отличительной чертой семейства является повышенная стойкость к ВВФ космического пространства.
СЕМЕЙСТВО СЕРИЙ БМК / БК 5521 И 5529
Серии БМК и БК 5529 изготавливаются по КМОП-технологии с нормами 0,25 мкм на структурах "кремний на изоляторе" (КНИ), а серия БК 5521 – с технологическими нормами 0,18 мкм на объемном кремнии. Напряжение питания составляет 3 В ± 10% или 3,3 В ± 10%, расчетное время задержки на вентиль – 100 пс, тактовая частота D-триггера в счетном режиме – 500 МГц.
БМК серии 5529 соответствуют требованиям ОСТ В 11 0998, освоены в производстве НПК "Технологический центр" с изготовлением кристаллов микросхем на заводе "Микрон", входят в перечень изделий, разрешенных к применению МОП 44 001.02. В 2017 году будут завершены ОКР по освоению в производстве десяти типов БК серий 5529 и 5521. Повышенная устойчивость микросхем к воздействию одиночных заряженных частиц обеспечивается для серии 5529 конструктивно-технологическим базисом КНИ, а для серии 5521 – применением троированных триггеров.
Состав и основные технические характеристики БМК и БК серий 5529 и 5521 приведены в табл.1.
СЕРИИ БМК 5503 И 5507
БМК 5503 и 5507 являются сериями малой степени интеграции и уже более 15 лет широко применяются в аппаратуре космического назначения. На основе БМК данных серий разработано более 500 типов БИС, в том числе для таких космических аппаратов и кораблей как "Прогресс-М", "Союз-ТМА", "Меридиан", "Лабиринт", "Пион", "Аркон-2", "Электра", "Луч", "ГЛОНАСС-М", "ГЛОНАСС-К", "Кондор", "Экспресс", для системы управления разгонным блоком "Бриз-М" и др.
Серии 5503 и 5507 являются полными конструктивными аналогами, изготавливаются по КМОП-технологии с нормами 1,6 мкм и состоят из четырех типоразмеров БМК каждая, выпускаемых в различных типах корпусов. Напряжение питания серий 5503 и 5507 составляет 5 В ± 10% и 3 В ± 10%, среднее время задержки на вентиль – не более 2 нс и не более 3 нс соответственно.
Состав и основные технические характеристики БМК этих серий приведены в табл.2.
Серии БМК 5503 и 5507 имеют единую библиотеку ячеек [5] с универсальной системой обозначений, которая состоит из трех частей:
• библиотека базовых ячеек (5503), которая включает все основные группы логических элементов, а также периферийные элементы, обеспечивающие функции входа, выхода и входа-выхода цифровых и аналоговых сигналов, пассивное или активное доопределение внешнего контакта;
• библиотека цифро-аналоговых ячеек (5503+), позволяющих реализовать аналого-цифровую обработку сигналов;
• библиотека специальных ячеек (5503++), разработанных по специфическим требованиям различных заказчиков (сторонним заказчикам не предоставляется).
Разработка БИС выполняется на отечественной системе автоматизированного проектирования "Ковчег 3.0" [6]. В состав САПР входят все основные подсистемы, необходимые для разработки и подготовки к производству полузаказной БИС. Полная промышленная версия САПР "Ковчег 3.0" [6] доступна для свободного копирования (www.asic.ru), что позволяет создать на любом предприятии или в вузе полноценные рабочие места для проектирования БИС на БМК серий 5503 и 5507. Разработанные БИС могут быть изготовлены на микроэлектронном производстве НПК "Технологический центр" (www.tcen.ru).
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57814X0061.
ЛИТЕРАТУРА
1. Басаев А.С., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Мальцев П.П. Специализированные интегральные микросхемы космического применения на основе базовых матричных кристаллов // Петербургский журнал электроники. 2008. № 1. С. 34–39.
2. Денисов А.Н., Коняхин В.В. Разработки НПК "Технологический центр" для применения в аппаратуре космического назначения // Международная конференция "Микроэлектроника 2015". Интегральные схемы и микроэлектронные модули: проектирование, производство и применение : Сб. тезисов. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015. С. 74–77.
3. Денисов А.Н. Коняхин В.В. Семейство серий БМК НПК "Технологический центр" // Международная конференция "Микроэлектроника 2015". Интегральные схемы и микроэлектронные модули: проектирование, производство и применение : Сб. тезисов. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015. С. 104–112.
4. Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А. и др. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практ. пособие / Под общ. ред. А.Н.Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
5. Денисов А.Н., Фомин Ю.П., Коняхин В.В., Федоров Р.А. Библиотека функциональных ячеек для проектирования полузаказных микросхем серий 5503 и 5507 / Под ред. А.Н. Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2012. 304 c.
6. Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В. Система автоматизированного проектирования "Ковчег 2.1" / Под ред. Ю.А.Чаплыгина. – М.: Микрон-Принт, 2001. 194 с.
В этих условиях актуальна задача ускорения темпов разработки электронной компонентной базы (ЭКБ) для современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в особенности – больших интегральных схем (БИС), которые можно разделить на два основных класса: универсальные и специализированные.
К первому классу относятся микропроцессоры, микроконтроллеры, периферийные устройства, устройства памяти (ПЗУ, ОЗУ и т.д.), серии стандартных микросхем и др., то есть микросхемы, функциональные возможности которых носят универсальный характер и могут быть использованы в различных устройствах и системах. Объем производства микросхем данного класса составляет сотни тысяч и миллионы штук в год, что минимизирует затраты на их проектирование и освоение в производстве.
Специализированные микросхемы выполняют в аппаратуре конкретные специфические функции, присущие только ей, и в большинстве случаев не могут быть использованы где-либо еще. С завершением производства аппаратуры исчезает потребность и в выпуске предназначенных для нее специализированных микросхем. Как правило, серийность специализированных микросхем напрямую связана с объемом выпуска аппаратуры, в которой они применяются. Существует большая номенклатура специализированных микросхем с огромными объемами выпуска, например БИС, применяемые в автомобильной электронике, бытовой и компьютерной технике и др. При производстве таких микросхем затраты на их проектирование и организацию массового выпуска легко окупаются. Это наиболее рентабельный сектор рынка микроэлектроники.
Однако в современном обществе существует потребность в тысячах типов специализированных микросхем, которые выпускаются для удовлетворения нужд отдельных отраслей промышленности и конкретных типов РЭА. Объем производства таких микросхем может составлять от нескольких десятков до нескольких тысяч штук в год. Способность разрабатывать и производить их во многом определяет научно-технический и оборонный потенциал страны. Не случайно в санкционный список США против России попали крупнейшие предприятия отечественной микроэлектроники АО "Ангстрем" и ПАО "Микрон", являющиеся флагманами в производстве специализированных БИС.
Особую, наиболее сложную группу среди специализированных микросхем составляют БИС, применяемые в аппаратуре космического назначения и эксплуатируемые в условиях действия жестких внешних воздействующих факторов (ВВФ). Как правило, номенклатура таких микросхем велика, сроки разработки аппаратуры ограничены, а серийность, в силу специфики аппаратуры, часто не превышает нескольких сотен изделий в год. Производство, как правило, имеет прерывистый характер, а основной вклад в стоимость микросхем вносят затраты на освоение производства и проведение квалификационных и периодических испытаний для подтверждения уровня качества.
Современные специализированные микросхемы можно разделить на три группы: заказные микросхемы, программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и полузаказные БИС на основе базовых (БК) или базовых матричных кристаллов (БМК). Принято считать, что полностью заказные микросхемы обеспечивают максимальную функциональность, надежность и стойкость к ВВФ, минимальную стоимость при массовом производстве, но экономически не эффективны при малых объемах выпуска, так как требуют максимальных затрат при разработке и освоении производства. ПЛИС обладают преимуществами при разработке и отладке проекта микросхемы в составе аппаратуры. В то же время наличие дополнительных элементов для программирования снижает их надежность и увеличивает энергопотребление. По сравнению с заказными БИС стоимость ПЛИС существенно выше. Полузаказные БИС занимают промежуточное положение между полностью заказными микросхемами и ПЛИС. По показателям надежности, энергопотребления и стойкости к ВВФ они сравнимы с заказными БИС, а по длительности цикла "разработка – изготовление – поставка" сопоставимы с ПЛИС. Производство БМК и БК, как правило, поддерживается в течение длительного времени (более 15 лет). Дополнительно необходимо учитывать, что ПЛИС военного и космического назначения (уровней качества Military и Space) из-за введенного эмбарго в Россию не поставляются.
Выбор способа реализации специализированных БИС определяется множеством факторов, но, как правило, именно полузаказные БИС обеспечивают наилучшее соотношение эксплуатационных и экономических показателей. Рассмотрим особенности БМК и БК, как основы для реализации специализированных микросхем.
КОНСТРУКЦИЯ БМК
Базовый матричный кристалл (БМК) (англоязычные термин ULA, Uncommited Logic Array) – это универсальная заготовка в виде кремниевой пластины, на которой сформированы кристаллы с матрицей транзисторных структур. Такие кристаллы называют базовыми, поскольку все фотошаблоны для их изготовления, за исключением слоев металлизации, являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Простейшие элементы (КМОП-транзисторы) располагаются в виде регулярной матрицы, поэтому кристалл называют матричным. В отличие от ПЛИС, логика работы которых задается посредством программно-управляемых элементов, специализация БМК формируется технологически в процессе микроэлектронного производства. Изготовление конкретной БИС заключается в выполнении завершающих технологических операций над кремниевыми пластинами с кристаллами-заготовками БМК. При этом в одном или нескольких слоях металлизации осуществляется коммутация КМОП-транзисторов на поле матрицы для формирования цепей схемы. В сравнении с ПЛИС в структуре БМК отсутствуют избыточные элементы, что в несколько раз снижает общую сложность микросхемы и повышает ее надежность.
В конструкции БМК можно выделить регулярное поле, окруженное областью периферийных контактов. Для определения размера поля БМК используется понятие "эквивалентный вентиль". Один эквивалентный вентиль соответствует четырем КМОП-транзисторам, на которых можно реализовать логическую функцию "2И-НЕ" или "2ИЛИ-НЕ". При этом необходимо различать фактический размер поля и количество эквивалентных вентилей, которые могут быть использованы при реализации конкретной микросхемы. Отношение использованных эквивалентных вентилей к размеру поля БМК называется коэффициентом заполнения.
Сложность реализуемых на БМК микросхем определяется многими факторами: размером поля БМК, количеством доступных для использования внешних контактов, эффективностью средств проектирования, развитостью библиотеки функциональных ячеек, их быстродействием, возможностями охлаждения микросхем в аппаратуре и многими другими. На практике не удается использовать все 100% поля БМК. При заполнении поля кристалла менее чем на 70%, как правило, удается спроектировать топологию автоматически средствами САПР без вмешательства разработчика. При большем коэффициенте заполнения топология разрабатывается в интерактивном режиме с участием разработчика. Это усложняет процесс проектирования, но позволяет использовать кристалл меньшего размера, производство которого будет дешевле. Поэтому обычно БМК разрабатываются сериями. Серию составляют несколько конструктивно подобных БМК, имеющих общую библиотеку функциональных ячеек и различающихся размером поля кристалла и количеством внешних выводов. Для каждого большего по размеру типа БМК в серии размер поля обычно увеличивается примерно вдвое. Серии БМК также могут состоять из одного типоразмера кристалла, изготавливаемого в различных типах корпусов.
Конструкция БМК, как правило, строится на 4-транзисторных базовых ячейках. Подобные ячейки позволяют эффективно использовать ресурсы БМК и реализовывать любые схемотехнические решения. Однако встречаются БМК с разногабаритными ячейками или с регулярно повторяющимися транзисторными структурами.
По конструкции поля наибольшее распространение получили БМК, имеющие "канальную" организацию и БМК типа "море вентилей". При канальной организации поле БМК представляет собой последовательность столбцов или строк ячеек и каналов для трассировки (рис.1а). При использовании организации "море вентилей" поле БМК представляет собой сплошную регулярную структуру однотипных ячеек (рис.1b).
КОНСТРУКЦИЯ БК
БМК свойственны существенные ограничения, которые обусловлены применением однотипных транзисторов, предназначенных для построения схем цифровой обработки, но не позволяющих реализовывать сложные аналоговые и другие схемы, имеющие какие-либо особенности.
Указанный недостаток устраняется при применении базовых кристаллов. Современный БК имеет фиксированную периферийную область, как правило, совпадающую с периферийной областью БМК, но в поле БК фиксируются только цепи организации системы питания микросхемы. Это позволяет создавать на поле БК как матрицы различных цифровых транзисторов, аналогичные БМК, так и другие схемы (рис.2). Следует отметить, что БМК является фактически частным случаем БК, когда все поле последнего занято ячейками цифровых транзисторов.
Возможность реализации на поле БК матриц транзисторов различной мощности позволяет повысить частоту срабатывания триггеров более чем в два раза, что обеспечивает повышение системной частоты обработки информации, а также минимизирует площадь схемы.
Обычно с привязкой к конструкции БМК и БК создаются сложно-функциональные блоки (СФ-блоки), которые реализуют различные функции, такие как микропроцессорные ядра, микроконтроллеры, блоки памяти, интерфейсные блоки, блоки аналого-цифровой обработки и многие другие. Очень важно, что библиотека СФ-блоков может создаваться постепенно в процессе эксплуатации серии БМК и БК, как дополнительный результат проектирования конкретных БИС, а применение отработанных, прошедших экспериментальное апробирование СФ-блоков позволяет повысить качество разработки и сократить затраты на стадии проектирования микросхемы.
Следует отметить, что современные конструктивно-технологические базисы как на объемном кремнии, так и на структурах "кремний на изоляторе" позволяют создавать БК с повышенной устойчивостью к ВВФ, в том числе для аппаратуры космического назначения.
Таким образом, БК и БМК наиболее перспективны для создания специализированных микросхем, особенно с повышенными требованиями к надежности в жестких условиях эксплуатации. Рассмотрим современные серии БК 5521 и 5529 [1–4], изготовленные по технологическим нормам 180 нм и 250 нм, а также БМК малой степени интеграции серий 5503 и 5507. Указанные БК и БМК составляют семейство серий, имеющих единую библиотеку функциональных ячеек, общие средства проектирования и аналогичные корпусные исполнения. Отличительной чертой семейства является повышенная стойкость к ВВФ космического пространства.
СЕМЕЙСТВО СЕРИЙ БМК / БК 5521 И 5529
Серии БМК и БК 5529 изготавливаются по КМОП-технологии с нормами 0,25 мкм на структурах "кремний на изоляторе" (КНИ), а серия БК 5521 – с технологическими нормами 0,18 мкм на объемном кремнии. Напряжение питания составляет 3 В ± 10% или 3,3 В ± 10%, расчетное время задержки на вентиль – 100 пс, тактовая частота D-триггера в счетном режиме – 500 МГц.
БМК серии 5529 соответствуют требованиям ОСТ В 11 0998, освоены в производстве НПК "Технологический центр" с изготовлением кристаллов микросхем на заводе "Микрон", входят в перечень изделий, разрешенных к применению МОП 44 001.02. В 2017 году будут завершены ОКР по освоению в производстве десяти типов БК серий 5529 и 5521. Повышенная устойчивость микросхем к воздействию одиночных заряженных частиц обеспечивается для серии 5529 конструктивно-технологическим базисом КНИ, а для серии 5521 – применением троированных триггеров.
Состав и основные технические характеристики БМК и БК серий 5529 и 5521 приведены в табл.1.
СЕРИИ БМК 5503 И 5507
БМК 5503 и 5507 являются сериями малой степени интеграции и уже более 15 лет широко применяются в аппаратуре космического назначения. На основе БМК данных серий разработано более 500 типов БИС, в том числе для таких космических аппаратов и кораблей как "Прогресс-М", "Союз-ТМА", "Меридиан", "Лабиринт", "Пион", "Аркон-2", "Электра", "Луч", "ГЛОНАСС-М", "ГЛОНАСС-К", "Кондор", "Экспресс", для системы управления разгонным блоком "Бриз-М" и др.
Серии 5503 и 5507 являются полными конструктивными аналогами, изготавливаются по КМОП-технологии с нормами 1,6 мкм и состоят из четырех типоразмеров БМК каждая, выпускаемых в различных типах корпусов. Напряжение питания серий 5503 и 5507 составляет 5 В ± 10% и 3 В ± 10%, среднее время задержки на вентиль – не более 2 нс и не более 3 нс соответственно.
Состав и основные технические характеристики БМК этих серий приведены в табл.2.
Серии БМК 5503 и 5507 имеют единую библиотеку ячеек [5] с универсальной системой обозначений, которая состоит из трех частей:
• библиотека базовых ячеек (5503), которая включает все основные группы логических элементов, а также периферийные элементы, обеспечивающие функции входа, выхода и входа-выхода цифровых и аналоговых сигналов, пассивное или активное доопределение внешнего контакта;
• библиотека цифро-аналоговых ячеек (5503+), позволяющих реализовать аналого-цифровую обработку сигналов;
• библиотека специальных ячеек (5503++), разработанных по специфическим требованиям различных заказчиков (сторонним заказчикам не предоставляется).
Разработка БИС выполняется на отечественной системе автоматизированного проектирования "Ковчег 3.0" [6]. В состав САПР входят все основные подсистемы, необходимые для разработки и подготовки к производству полузаказной БИС. Полная промышленная версия САПР "Ковчег 3.0" [6] доступна для свободного копирования (www.asic.ru), что позволяет создать на любом предприятии или в вузе полноценные рабочие места для проектирования БИС на БМК серий 5503 и 5507. Разработанные БИС могут быть изготовлены на микроэлектронном производстве НПК "Технологический центр" (www.tcen.ru).
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57814X0061.
ЛИТЕРАТУРА
1. Басаев А.С., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Мальцев П.П. Специализированные интегральные микросхемы космического применения на основе базовых матричных кристаллов // Петербургский журнал электроники. 2008. № 1. С. 34–39.
2. Денисов А.Н., Коняхин В.В. Разработки НПК "Технологический центр" для применения в аппаратуре космического назначения // Международная конференция "Микроэлектроника 2015". Интегральные схемы и микроэлектронные модули: проектирование, производство и применение : Сб. тезисов. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015. С. 74–77.
3. Денисов А.Н. Коняхин В.В. Семейство серий БМК НПК "Технологический центр" // Международная конференция "Микроэлектроника 2015". Интегральные схемы и микроэлектронные модули: проектирование, производство и применение : Сб. тезисов. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015. С. 104–112.
4. Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А. и др. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практ. пособие / Под общ. ред. А.Н.Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
5. Денисов А.Н., Фомин Ю.П., Коняхин В.В., Федоров Р.А. Библиотека функциональных ячеек для проектирования полузаказных микросхем серий 5503 и 5507 / Под ред. А.Н. Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2012. 304 c.
6. Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В. Система автоматизированного проектирования "Ковчег 2.1" / Под ред. Ю.А.Чаплыгина. – М.: Микрон-Принт, 2001. 194 с.
Отзывы читателей
