eng
Выпуск #9/2018
Бобков Сергей Геннадьевич
Опыт разработки и производства микросхем промышленного назначения
Опыт разработки и производства микросхем промышленного назначения
Просмотры: 2994
Особенности микросхем промышленного назначения заключаются прежде всего в условиях их эксплуатации, требованиях по надежности и необходимости поддержки выпуска этих микросхем на протяжении длительного времени (до 20 лет) для гарантированного производства целого ряда изделий. В статье рассматриваются основные подходы при создании и производстве микросхем промышленного применения на основе более чем 20-летнего опыта.
УДК 621.382.2/.3
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.24.27
УДК 621.382.2/.3
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.24.27
Теги: chip development chip production system on chip trusted systems доверенные системы производство микросхем разработка микросхем система на кристалле
ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН в течение более 20 лет ведет разработку и производство микросхем промышленного применения. В концепции развития института было заложено несколько этапов. На первом этапе в начале и середине 90-х годов институтом создавались электронные изделия на базе ПЛИС, отрабатывались алгоритмы, уточнялись требования к изделиям, и в то же время это были серийные поставки компьютеров «Багет». В качестве микропроцессоров использовались западные микросхемы компаний Intel и MIPS. В середине 90-х годов институт приступил к следующему этапу — разработке микропроцессоров на базе собственной RISC-архитектуры КОМДИВ. По системе команд архитектура близка к архитектуре MIPS, однако на базе нее можно реализовать и программную совместимость с микропроцессорами ARM. Было также развернуто проектирование различных контроллеров с учетом созданных ранее моделей микросхем на ПЛИС. Изготовление микросхем осуществлялось на западных фабриках. И, наконец, на третьем этапе было создано собственное производство микросхем. Все технологические процессы этого производства разрабатывались сотрудниками НИИСИ РАН.
Основные проблемы, с которыми столкнулся институт в процессе производства микросхем и компьютеров, следующие.
1. Западные компании периодически несколько изменяли технологический процесс производства микросхем, что, как правило, приводило к снижению частоты в пределах 10 %. То есть можно столкнуться с тем, что партия микросхем, заказанная через несколько лет после сдачи ОКР, будет отличаться от первоначальной и некоторые характеристики могут не соответствовать конструкторской документации.
2. Иногда используемые западные технологические процессы закрываются и вводятся новые близкие процессы, что приводит к необходимости перепроектировать микросхемы и проводить типовые испытания.
3. Еще реже заводы, производящие пластины с кристаллами микросхем, продаются или закрываются, что приводит к необходимости искать другую компанию с близкими технологическими процессами.
4. Довольно регулярно используемые пластиковые корпуса микросхем снимаются с производства. Приходится создавать требуемые корпуса в других компаниях, что приводит к дополнительным затратам.
5. Коммерческие САПР не позволяют производить моделирование проектов при некоторых экстремальных условиях эксплуатации.
6. В случае производства на зарубежных фабриках необходимо раскрывать конечных пользователей микросхем, что не всегда удобно с коммерческой точки зрения.
7. В России отсутствует производство динамической и Flash-памяти, западные микросхемы регулярно снимаются с производства, что приводит к необходимости модернизации модулей. Делать запасы микросхем на много лет вперед экономически нецелесообразно.
8. Отсутствие массового спроса на микросхемы на российском рынке приводит к высокой стоимости микросхем и не позволяет в должной мере развиваться компаниям. Выход со своими микросхемами за рубеж сопряжен с огромными проблемами, никто не хочет отдавать свои рынки. Развитие отрасли невозможно без государственной поддержки.
9. В России отсутствует достаточное число разработчиков: для развития института приходилось вести собственную подготовку специалистов.
Указанные проблемы невозможно решать без полного владения создаваемыми проектами. Использование западных IP-блоков приводит к тому, что перенести проект на другую технологию без изменения характеристик микросхемы очень проблематично. Если же модернизированная микросхема с учетом параметров новой технологии даже незначительно изменяется, это может сказаться на функционировании конечного продукта с этой микросхемой, стоимость которого вместе с программным обеспечением может многократно превышать затраты на создание микросхемы. Таким образом, при проектировании микросхемы следует понимать время ее жизни и осознавать необходимость поддержки ее выпуска. Именно поэтому политика института заключается в использовании только своих IP-блоков для микросхем промышленного применения. Это позволило поддерживать выпуск ряда микросхем на протяжении уже почти 20 лет несмотря на то, что было несколько модернизаций западных технологических процессов и ряд фабрик были закрыты.
Следующей проблемой является создание микросхем, функционирующих в заданных условиях эксплуатации. Западные компании разделяют микросхемы на категории коммерческих, индустриальных, авиационных, военных и космических. В соответствии с этими категориями западные САПР проектирования микросхем позволяют делать требуемые проверки, создаются соответствующие библиотеки элементов. Стандартные библиотеки КМОП-процессов, как правило, отхарактеризованы в температурном диапазоне от −40 °C до +125 °C, и для большинства применений этого достаточно. Однако для создания микросхем космического применения таких технологических процессов, как управление железнодорожными стрелками, контроллеров для нефтегазовой промышленности и пр., требуются температуры функционирования до −60 °C. Наиболее правильным в этом случае было бы провести характеризацию библиотеки для требуемых температур, однако это сопряжено со значительными временными и материальными затратами. Опыт работы показал, что для достижения цели достаточно использовать возможности современных САПР по настройке коэффициентов при проведении топологического проектирования. Например, при проектировании микросхем в САПР Innovus для достижения работоспособности микросхемы в широком температурном диапазоне возможно использование следующих команд САПР:
1. Команда update_rc_corner позволяет уменьшать или увеличивать значения сопротивления и емкости межсоединений для определенного сочетания условий техпроцесса, питания и температуры.
2. Команда set_timing_derate устанавливает коэффициенты масштабирования временных задержек в путях setup и hold.
3. Команда set_clock_uncertainty устанавливает значение разбежки синхросигнала на кристалле.
Коэффициенты приходится подбирать экспериментальным путем, однако чем больше мы «зажимаем» проект этими коэффициентами, тем больше запас проекта по временной диаграмме. Учитывая, что западные компании зачастую без предупреждения изменяют технологический процесс и параметры микросхем могут несколько изменяться, такой запас позволяет снизить возможные риски.
При переходе на технологические нормы 65 нм и ниже возникает целый ряд проблем при проектировании сложных высокопроизводительных микросхем. Прежде всего из-за снижения топологических норм возрастает разброс параметров транзисторов, возрастают токи утечки, появляется значительная зависимость параметров от разбросов напряжения питания и температуры на кристалле. Для таких микросхем, как современные высокопроизводительные микропроцессоры, разброс температуры на кристалле может превышать 5 °C, а просадки по напряжению питания — 10 %. Для достижения предельных параметров по частоте создаваемых микросхем необходимо учитывать все эти разбросы при моделировании. Стандартные коммерческие САПР позволяют провести моделирование для наихудших случаев по температуре, технологическому разбросу и напряжению питания с учетом всех вышеперечисленных явлений, что позволяет добиться работоспособности микросхем. Однако это не позволяет получить предельных параметров. Отдельной задачей становится построение дерева синхронизации для высокочастотных микросхем. Необходима схемотехническая компенсация технологических вариаций, разброса по напряжению питания и температуре. Коммерческие САПР в должной степени не позволяют решить возникающие проблемы, они ориентированы на достижение работоспособности микросхем, а не на достижение предельных частот.
Работы, проведенные командой Петросянца К. О. [1], показали, что задержка распространения сигнала по линии межсоединения для 4-разрядного сумматора БМК серии 6501ХМ1 без учета неоднородного температурного профиля, достигающего в пределе разброса 4 °C, составила 22,9 пс, а c учетом — 31,9 пс, т. е. пренебрежение тепловыми эффектами вызывает погрешность 28 %. Что это означает в практическом плане? Современные коммерческие САПР позволяют проводить моделирование для наихудшего случая, и возникающая погрешность в 28 % учитывается именно как требуемый запас в создаваемой схеме, а не как возможность ее учета с точки зрения повышения частоты функционирования микросхемы за счет топологической и схемотехнической коррекции. Аналогичные данные можно получить и для просадки напряжения питания. Крупнейшие мировые компании в своем маршруте проектирования также используют коммерческие САПР, однако для достижения предельных параметров ими создаются дополнительные программы, учитывающие эти эффекты.
Не менее сложной является задача учета радиационных эффектов. Для достижения требуемых параметров по радстойкости требуется учет возникающих эффектов в схемотехнике и топологии кристалла, то есть необходима корректировка проекта. Причем корректировка проекта должна быть разная для различных узлов микросхемы, исходя из тех или иных эффектов. Это невозможно сделать стандартными коммерческими САПР.
Повышения производительности микросхем можно также достигнуть за счет оптимизации технологического процесса для конкретной микросхемы. Для современных высокопроизводительных микросхем это могут делать только крупнейшие компании с массовым производством в ведущих компаниях — производителях пластин. На отечественных предприятиях такие возможности для предельных технологических норм пока отсутствуют из-за отсутствия дополнительных ресурсов и того, что технологические процессы, как правило, покупаются, а не создаются самостоятельно, то есть отсутствует глубокое понимание физических процессов.
Не менее сложными являются задачи поддержки собственного производства микросхем. Небольшие серии микросхем приводят к их значительной стоимости, что делает их конкурентными только для ответственных применений в промышленности. При организации производства этих микросхем необходимо также понимать, что их рынок существенно отличается от коммерческого и выпуск продукции увеличивается очень постепенно. На рис. 1 показано производство 32-разрядного микропроцессора и его системного контроллера. Меньший выпуск системного контроллера говорит о том, что ряд компаний предпочитают создание собственных системных контроллеров на ПЛИС. Из графика также видно, что объем производства микропроцессора за 10 лет увеличился на порядок. Таким образом, создание мелкосерийного производства без возможности его развития может привести к возникновению больших проблем для обеспечения выпуска микросхем. Предприятиям нельзя сказать, что мощности на пределе и увеличение производства невозможно: в таком случае с вами никто в дальнейшем работать не будет.
Таким образом, проводимые работы показали, что без создания собственных средств проектирования и производства микросхем невозможно создание микросхем с предельными параметрами функционирования. Необходимо полное владение проектами, использование западных IP-блоков может привести к невозможности поддержки выпуска микросхем на протяжении длительного времени. Для обеспечения развития компании необходима организация подготовки специалистов. В НИИСИ РАН эта подготовка ведется совместно с НИЯУ МИФИ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петросянц К. О., Батаруева Е. И., Рябов Н. И. Расчет задержек в межсоединениях цифровых БИС с учетом электротепловых эффектов // 16-я научно-техническая конференция, Суздаль, 2017. — С. 51–52.
Основные проблемы, с которыми столкнулся институт в процессе производства микросхем и компьютеров, следующие.
1. Западные компании периодически несколько изменяли технологический процесс производства микросхем, что, как правило, приводило к снижению частоты в пределах 10 %. То есть можно столкнуться с тем, что партия микросхем, заказанная через несколько лет после сдачи ОКР, будет отличаться от первоначальной и некоторые характеристики могут не соответствовать конструкторской документации.
2. Иногда используемые западные технологические процессы закрываются и вводятся новые близкие процессы, что приводит к необходимости перепроектировать микросхемы и проводить типовые испытания.
3. Еще реже заводы, производящие пластины с кристаллами микросхем, продаются или закрываются, что приводит к необходимости искать другую компанию с близкими технологическими процессами.
4. Довольно регулярно используемые пластиковые корпуса микросхем снимаются с производства. Приходится создавать требуемые корпуса в других компаниях, что приводит к дополнительным затратам.
5. Коммерческие САПР не позволяют производить моделирование проектов при некоторых экстремальных условиях эксплуатации.
6. В случае производства на зарубежных фабриках необходимо раскрывать конечных пользователей микросхем, что не всегда удобно с коммерческой точки зрения.
7. В России отсутствует производство динамической и Flash-памяти, западные микросхемы регулярно снимаются с производства, что приводит к необходимости модернизации модулей. Делать запасы микросхем на много лет вперед экономически нецелесообразно.
8. Отсутствие массового спроса на микросхемы на российском рынке приводит к высокой стоимости микросхем и не позволяет в должной мере развиваться компаниям. Выход со своими микросхемами за рубеж сопряжен с огромными проблемами, никто не хочет отдавать свои рынки. Развитие отрасли невозможно без государственной поддержки.
9. В России отсутствует достаточное число разработчиков: для развития института приходилось вести собственную подготовку специалистов.
Указанные проблемы невозможно решать без полного владения создаваемыми проектами. Использование западных IP-блоков приводит к тому, что перенести проект на другую технологию без изменения характеристик микросхемы очень проблематично. Если же модернизированная микросхема с учетом параметров новой технологии даже незначительно изменяется, это может сказаться на функционировании конечного продукта с этой микросхемой, стоимость которого вместе с программным обеспечением может многократно превышать затраты на создание микросхемы. Таким образом, при проектировании микросхемы следует понимать время ее жизни и осознавать необходимость поддержки ее выпуска. Именно поэтому политика института заключается в использовании только своих IP-блоков для микросхем промышленного применения. Это позволило поддерживать выпуск ряда микросхем на протяжении уже почти 20 лет несмотря на то, что было несколько модернизаций западных технологических процессов и ряд фабрик были закрыты.
Следующей проблемой является создание микросхем, функционирующих в заданных условиях эксплуатации. Западные компании разделяют микросхемы на категории коммерческих, индустриальных, авиационных, военных и космических. В соответствии с этими категориями западные САПР проектирования микросхем позволяют делать требуемые проверки, создаются соответствующие библиотеки элементов. Стандартные библиотеки КМОП-процессов, как правило, отхарактеризованы в температурном диапазоне от −40 °C до +125 °C, и для большинства применений этого достаточно. Однако для создания микросхем космического применения таких технологических процессов, как управление железнодорожными стрелками, контроллеров для нефтегазовой промышленности и пр., требуются температуры функционирования до −60 °C. Наиболее правильным в этом случае было бы провести характеризацию библиотеки для требуемых температур, однако это сопряжено со значительными временными и материальными затратами. Опыт работы показал, что для достижения цели достаточно использовать возможности современных САПР по настройке коэффициентов при проведении топологического проектирования. Например, при проектировании микросхем в САПР Innovus для достижения работоспособности микросхемы в широком температурном диапазоне возможно использование следующих команд САПР:
1. Команда update_rc_corner позволяет уменьшать или увеличивать значения сопротивления и емкости межсоединений для определенного сочетания условий техпроцесса, питания и температуры.
2. Команда set_timing_derate устанавливает коэффициенты масштабирования временных задержек в путях setup и hold.
3. Команда set_clock_uncertainty устанавливает значение разбежки синхросигнала на кристалле.
Коэффициенты приходится подбирать экспериментальным путем, однако чем больше мы «зажимаем» проект этими коэффициентами, тем больше запас проекта по временной диаграмме. Учитывая, что западные компании зачастую без предупреждения изменяют технологический процесс и параметры микросхем могут несколько изменяться, такой запас позволяет снизить возможные риски.
При переходе на технологические нормы 65 нм и ниже возникает целый ряд проблем при проектировании сложных высокопроизводительных микросхем. Прежде всего из-за снижения топологических норм возрастает разброс параметров транзисторов, возрастают токи утечки, появляется значительная зависимость параметров от разбросов напряжения питания и температуры на кристалле. Для таких микросхем, как современные высокопроизводительные микропроцессоры, разброс температуры на кристалле может превышать 5 °C, а просадки по напряжению питания — 10 %. Для достижения предельных параметров по частоте создаваемых микросхем необходимо учитывать все эти разбросы при моделировании. Стандартные коммерческие САПР позволяют провести моделирование для наихудших случаев по температуре, технологическому разбросу и напряжению питания с учетом всех вышеперечисленных явлений, что позволяет добиться работоспособности микросхем. Однако это не позволяет получить предельных параметров. Отдельной задачей становится построение дерева синхронизации для высокочастотных микросхем. Необходима схемотехническая компенсация технологических вариаций, разброса по напряжению питания и температуре. Коммерческие САПР в должной степени не позволяют решить возникающие проблемы, они ориентированы на достижение работоспособности микросхем, а не на достижение предельных частот.
Работы, проведенные командой Петросянца К. О. [1], показали, что задержка распространения сигнала по линии межсоединения для 4-разрядного сумматора БМК серии 6501ХМ1 без учета неоднородного температурного профиля, достигающего в пределе разброса 4 °C, составила 22,9 пс, а c учетом — 31,9 пс, т. е. пренебрежение тепловыми эффектами вызывает погрешность 28 %. Что это означает в практическом плане? Современные коммерческие САПР позволяют проводить моделирование для наихудшего случая, и возникающая погрешность в 28 % учитывается именно как требуемый запас в создаваемой схеме, а не как возможность ее учета с точки зрения повышения частоты функционирования микросхемы за счет топологической и схемотехнической коррекции. Аналогичные данные можно получить и для просадки напряжения питания. Крупнейшие мировые компании в своем маршруте проектирования также используют коммерческие САПР, однако для достижения предельных параметров ими создаются дополнительные программы, учитывающие эти эффекты.
Не менее сложной является задача учета радиационных эффектов. Для достижения требуемых параметров по радстойкости требуется учет возникающих эффектов в схемотехнике и топологии кристалла, то есть необходима корректировка проекта. Причем корректировка проекта должна быть разная для различных узлов микросхемы, исходя из тех или иных эффектов. Это невозможно сделать стандартными коммерческими САПР.
Повышения производительности микросхем можно также достигнуть за счет оптимизации технологического процесса для конкретной микросхемы. Для современных высокопроизводительных микросхем это могут делать только крупнейшие компании с массовым производством в ведущих компаниях — производителях пластин. На отечественных предприятиях такие возможности для предельных технологических норм пока отсутствуют из-за отсутствия дополнительных ресурсов и того, что технологические процессы, как правило, покупаются, а не создаются самостоятельно, то есть отсутствует глубокое понимание физических процессов.
Не менее сложными являются задачи поддержки собственного производства микросхем. Небольшие серии микросхем приводят к их значительной стоимости, что делает их конкурентными только для ответственных применений в промышленности. При организации производства этих микросхем необходимо также понимать, что их рынок существенно отличается от коммерческого и выпуск продукции увеличивается очень постепенно. На рис. 1 показано производство 32-разрядного микропроцессора и его системного контроллера. Меньший выпуск системного контроллера говорит о том, что ряд компаний предпочитают создание собственных системных контроллеров на ПЛИС. Из графика также видно, что объем производства микропроцессора за 10 лет увеличился на порядок. Таким образом, создание мелкосерийного производства без возможности его развития может привести к возникновению больших проблем для обеспечения выпуска микросхем. Предприятиям нельзя сказать, что мощности на пределе и увеличение производства невозможно: в таком случае с вами никто в дальнейшем работать не будет.
Таким образом, проводимые работы показали, что без создания собственных средств проектирования и производства микросхем невозможно создание микросхем с предельными параметрами функционирования. Необходимо полное владение проектами, использование западных IP-блоков может привести к невозможности поддержки выпуска микросхем на протяжении длительного времени. Для обеспечения развития компании необходима организация подготовки специалистов. В НИИСИ РАН эта подготовка ведется совместно с НИЯУ МИФИ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петросянц К. О., Батаруева Е. И., Рябов Н. И. Расчет задержек в межсоединениях цифровых БИС с учетом электротепловых эффектов // 16-я научно-техническая конференция, Суздаль, 2017. — С. 51–52.
Отзывы читателей
