Технология и средства автоматизированного проектирования

Государственный научный центр России Государственное учреждение «Научнопроизводственный комплекс «Технологический центр»
Московского Государственного института электронной
техники»
Технология и средства
автоматизированного проектирования
полузаказных специализированных
микросхем для нано- и
микросистемной техники на основе
самосинхронных библиотек»
1
Основные направления деятельности
В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СФЕРЕ
Основные направления подготовки и переподготовки специалистов
- производственная практика;
- дипломное и курсовое проектирование;
- специализированные учебные курсы:

проектирование специализированных БИС на основе БМК,

технология микросистем
- межвузовская программа подготовки разработчиков
специализированных БИС;
Для осуществления высококвалифицированной подготовки
студентов, аспирантов на базе ТЦ создана кафедра "Микроэлектроника
и микросистемы".
В соответствии с тематикой последних разработок ТЦ, одной из
профилирующих специальностей на кафедре является "Микро- и
наноэлектроника".
2
Основные направления деятельности
В НАУЧНОЙ СФЕРЕ
Направления научно-исследовательской деятельности



Разработки в области микроэлектроники:
Новые конструктивно-технологические базисы для КМОП и БиКМОП БИС;
Библиотеки элементов на основе разработанной технологии;
САПР и средства макетирования для оперативной разработки
специализированных БИС;
- Новые типы быстродействующих БМК высокой степени интеграции
Микросистемной техники
- Тензорезистивные преобразователи физических величин;
- Микросистемы и микродатчики анализа физических величин;
- Радиочастотные МЭМС;
- Исполнительные компоненты;
- Преобразователи физических величин с наноразмерными конструктивными
элементами;
- Микроаналитические системы;
Элементная база обработки информации с микродатчиков
Микроэлектронной аппаратуры
Микросенсорные системы и аппаратура на их основе;
- Средства обнаружения металлических и других опасных предметов
3
Основные направления деятельности
В ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СФЕРЕ



- Производство опытных образцов и малых серий специализированных
БИС, интегральных сенсоров и МЭМС;
- Изготовление образцов и малых серий полупроводниковых приборов
по нестандартным технологическим маршрутам;
- Изготовление фотошаблонов
Площадь помещений полупроводникового производства: 2200 м²

в том числе класса “100”: 1000 м²
(обеспечены энергетической структурой и системой мониторинга
микроклимата)
4
Проект разрабатывается в рамках
Федеральной целевой программы
«Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития
научно-технологического
комплекса России на 2007-2012 годы»
Номер контракта 02.527.12.9006
от «21» сентября 2007 г.
5
Цели выполнения:
1. Развитие крупномасштабного производства полузаказных
интегральных схем на основе базового матричного кристалла
(БМК) объёмом до 1000000 вентилей и создание системы
отечественных дизайн-центров в области проектирования
специализированных электронных компонентов нового
поколения.
2. Разработка системы автоматизированного проектирования
специализированных микросхем на основе БМК,
предназначенной для проектирования современной
электронной компонентной базы для различной
радиоэлектронной аппаратуры в большинстве отраслей
промышленности.
3. Разработка технологии изготовления БМК ёмкостью до
1000000 вентилей на производственных мощностях
инициатора проекта.
6
Продукт:
Полузаказная схема (БМК)
Основные отличия от заказных схем
Признаки
БМК
Заказные схемы
Срок проектирования
малый
большой
Стоимость проектирования
малая
большая
Срок изготовления
малый
большой
Стоимость изготовления малой серии
средняя
большая
Стоимость изготовления большой серии
средняя
малая
малые
большие
средняя
большая
Временные и финансовые затраты на
подготовку пользователей
Стоимость САПРа
Рыночная ниша: малые серии специальных
схем большой номенклатуры
7
Реализация целей разработки
НПК «Технологический центр»
МИЭТ
ОАО «НИИМЭ и Микрон»
разработка подсистем САПР
разработка конструкции БМК
разработка технологии изготовления
разработка библиотека элементов
Система
автоматизированного
проектирования и
библиотеки
элементов
Производственные
мощности
Конструктивнотехнологический
базис
Лицензия на
технологию
ЕЕPROM
0,18 мкм
Освоение
крупномасштабного
производства
общехозяйственного
назначения
8
Состав разработки
ОКР «Разработка технологии и средств автоматизированного
проектирования полузаказных специализированных микросхем для
нано- и микросистемной техники на основе самосинхронных
библиотек»
Программная
часть:
разработка
подсистем
САПР
Конструктор
ская часть:
разработка
конструкции
БМК объёмом
до 1000000
вентилей
Технологическая часть:
разработка
технологии
изготовления
БМК и
микросхем на
его основе
Методологическая часть:
разработка
библиотека
самосинхронных
элементов
9
Программная часть
смешанный схемно-текстовый графический
редактор
подсистема синтеза логической схемы из описания
на поведенческом уровне
специализированный транслятор с языка высокого уровня
подсистема функционального моделирования микросхем
подсистема функционально-логического моделирования
подсистемы компоновки, размещения и синтеза топологии
подсистему аттестации проектов микросхем
10
Программная часть
В рамках 4 этапа выполнена разработка
спецификации на подсистему синтеза логической
схемы из описания на поведенческом уровне и
на подсистему аттестации проектов микросхем, в
которых определены основные меню подсистемы
аттестации и состав их функций, проведен
анализ синтезирующих конструкций и операторов
языка Verilog, определены результаты синтеза
конструкций и операторов.
Также выполнялась программная реализация
подсистем САПР.
11
Спецификация на подсистему аттестации проекта
микросхемы
Аттестация проекта – завершающая операция в цикле разработки микросхемы,
которая заключается в анализе поведения проекта БИС при различных значениях
внешних факторов эксплуатации и разброса технологических параметров:
- напряжение питания;
- температура;
- крутизна р-транзистора;
- крутизна n-транзистора;
12
Окно подсистемы аттестации проекта микросхемы
Меню Средства включает в себя 4 группы функций: задания режима аттестации,
управления составом испытаний, управления процессом аттестации и поиска
неисправностей:
Функции задания режима аттестации выполняют формирование таблицы аттестации проекта и
отображение её в окне подсистемы. Функции управления составом испытаний позволяют задать
необходимый состав испытаний. При активизации функций управления процессом аттестации
выполняется контроль наличия и анализ изменений файла тестовых воздействий с реакциями.
При его отсутствии или изменении выполнение функций прекращается с выдачей
соответствующей диагностики.
13
Анализ несовпадений
С целью поиска несовпадений выполняется моделирование проекта микросхемы
при номинальных значениях параметров до элементарной проверки, в которой
обнаружено первое несоответствие, с сохранением состояний всех внутренних узлов
проекта. После этого выполняется моделирование испытания с несоответствием до
элементарной проверки несоответствия. В результате сравнения диаграмм строится
список контрольных точек, в которых обнаружены несоответствия.
14
Спецификация на подсистему аттестации проектов
микросхем
Подмножество языка Verilog HDL, используемое для синтеза, определяет Стандарт
IEEE Std. 1364.1-2002 (Standard for Verilog Register Transfer Level Synthesis)
Указанный стандарт выделяет три типа конструкций Verilog HDL:

неподдерживаемые средствами синтеза;

игнорируемые средствами синтеза;

поддерживаемые средствами синтеза.
Конструкции языка, которые, как правило, поддерживаются всеми средствами синтеза:

определение модуля:
module, endmodule;

внешние порты: input, output, inout;

параметры:
parameter;

цепи и переменные:
wire, tri, reg;

подключения: подключение модуля (module instantiation),
подключение примитива (gate instantiation);

функции и процедуры:
function, task;

непрерывные присваивания:
assign;

структурные конструкции: always;

последовательные блоки: begin-end;

условные конструкции:
if-else;

конструкции ветвления:
case, casex, casez;

конструкции цикла:
for.
15
Результаты синтеза конструкций и операторов языка
Verilog
Рассмотрены синтезопригодные конструкции языка и приведены схемотехнические
реализации данных конструкций





module Blocking (Preset, Count);
input [0:2] Preset;
output [3:0] Count;
reg [3:0] Count;
always 8 (Preset)
Count = Preset + 1; // Блокирующий
процедурный оператор присвоения
endmodule
16
Конструкторская часть
разработка конструкции базовых
и периферийных ячеек;


разработка конструкции БМК;
разработка конструкторской
документации;

разработка проектов тестовых
микросхем;

корректировка конструкторской
документации с присвоением
документам литеры «О1».

17
На 4 этапе выполнения ОКР разработана конструкторская документация для
изготовления и испытания опытной партии микросхем.
Конструкторская документация разработана в соответствии с ЕСКД. Её состав
определяется спецификацией ГАВЛ.431260.030.
Комплект конструкторской документации:
1
Спецификация ГАВЛ.431260.030
2
Технические условия АДБК.431260.098 ТУ
3
Электрическая принципиальная схема ячейки поля БМК
4
Электрическая принципиальная схема магистральной ячейки БМК
5
Электрическая структурная схема БМК5521БЦ1Т
6
Сборочный чертеж
7
Этикетка
8
Этикетка-вкладыш
9
Кристалл
10
Габаритный чертеж корпуса
Проведена метрологическая экспертиза комплекта конструкторской документации
18
Основные конструкторские документы
19
Тестовая микросхема
Разработан
проект
тестовой
микросхемы для исследования
электрофизических параметров,
устойчивости
к
электростатическому
напряжению, влиянию внешних
факторов и проверки настройки
средств проектирования
20
Технологическая часть




Разрабатываемая технология позволит обеспечить изготовление
интегральных микросхем на исходных пластинах кремния и
соответствовать следующим основным характеристикам:
Технологический уровень 0,18 – 0,25 мкм;
Тип технологии – КМОП (комплиментарные транзисторы типа «металлокисел-полупроводник»);
Исходный материал – кремниевые пластины диаметром не менее 150
мм
21
Приобретение и исследования макетных образцов
тестовых микросхем
В рамках 4 этапа была разработана тестовая микросхема для
проверки схемотехнической реализации библиотеки
самосинхронных элементов и изготовлены макетные образцы
микросхем.
Исследования макетных образцов выполнялось в
соответствии с разработанной Программой предварительных
испытаний.
Результаты исследований оформлены Протоколом
испытаний.
22
Методологическая часть
Разрабатываемая методология проектирования на основе
самосинхронных библиотек не имеет отечественных и зарубежных
аналогов.
Она позволит выполнять разработку строго самосинхронных схем, работа
которых не зависит от задержек составляющих элементов. Сочетание
уникальных свойств самосинхронных схем и высоких показателей БМК
позволит проектировать функционально-сложные однокристальные изделия,
отличающиеся богатыми функциональными возможностями, которым
присущи следующие достоинства:
-максимально
возможная область внешних условий эксплуатации,
определяемая только физическим сохранением переключательных свойств;
-устойчивость
к параметрическим отказам;
-естественная
100%-ная самопроверяемость в отношении константных
неисправностей и индицируемость места их возникновения;
-высокая
эффективность создания надёжных изделий;
- реальное повышение быстродействия аппаратуры, самонастраивающееся
на реальные параметры климатических условий, используемой технологии,
напряжения питания и типа обрабатываемой информации.
23
На 4 этапе выполнения ОКР выполнена разработка комплекта топологий 1 части
элементов библиотеки, включающей в себя 45 из 84 элементов, составляющих
библиотеку.
В состав элементов 1 части вошли следующие группы элементов:

однокаскадные элементы в количестве 13 элементов;

многокаскадные элементы в количестве 12 элементов;

логические элементы, выполняющие простую функцию в количестве 16 элементов;

гистерезисные триггеры в количестве 4 элементов;
24
Области применения результатов
работы:
Отечественные средства проектирования специализированных
микросхем с повышенной адаптивностью к вариабельности
технологии, ориентированной на отечественные производственные
линейки, позволят закрыть основную часть потребностей российских
разработчиков в специализированных ИС и обеспечить соблюдение
требований по качеству БИС.
БМК со сложностью до 1 000 000 условных вентилей на ближайшие
годы обеспечит до 90% процентов от общего числа новых типов
специализированных цифровых БИС при разработке современной ЭКБ в
большинстве отраслей промышленности при разработке
высокоэффективных вычислительных комплексов, в системах
управления, обработки видеоизображений, радиосвязи,
автомобилестроении, космических исследованиях, мониторинге
окружающей среды.
На базе новой САПР можно будет организовать широкомасштабную
подготовку разработчиков ИС на базе российских ВУЗов. Это
позволит России в рамках инновационного пути развития решить
важнейшую национальную программу подготовки разработчиков ИС.
25
Возможность применения
имитаторов БМК при разработке
радиоэлектронной аппаратуры
САПР
БМК
Проект
БИС
EDIF
САПР
ПЛИС
Программа
зашивки
ПЛИС
26
Технология разработки
БМК-ПЛИС-БМК
Разработка БМК в базисе библиотеки ПЛИС
Изготовление
БИС на БМК
Зашивка проекта БМК
в имитаторе БИС на ПЛИС
Разработка печатных плат и отладка
аппаратуры на имитаторе БИС
Проведение испытаний аппаратуры
Производство аппаратуры
27
Контактная информация:
Наш адрес:







124498, Москва, пр.4806, д.5, МИЭТ, НПК «Технологический
Центр»
Телефон: +7 (499) 734-4521
Факс: +7 (495) 913-21-92
http://www.tcen.ru
e-mail: [email protected]
Отдел интегральных микросхем:
Телефон: +7 (499) 720-8793
http://www.asic.ru
28