Artículo BIT
Diseño de un LSI
PUERTA NOR 3 ENTRADAS DESGLOSE DE MASCARAS formada cada célula, se ejacuta sobre cada una de ellas un programa de Verificación da Reglas de Disefto (VRD). Despues da una labor de edición y ejecución de VRD satisfactoria quedan archivadas y documantedas para la siguiente eta. pa. 2.-Trazado compuesto de células a.- Manual: Mediante delineante especializedo se interconectan a dos, tres o cuatro nivalas (difusiones p y n, poi ysilicon y metal según tecnologías) Se verifica manualmente. (ver portada). MASCARA DI FUSION P+y anillo de guarde (bañera P- I 2a MASCARA DI FUSION N + b.. Automático: Tomando como entrada las reglas de disefto, la biblioteca y la da.cripción de la red lógica .e di.ponen de programo da po.icionamiento de célula. a interconezión automátl. co.. E.tos programo .uelen .er inter. activo. y admiten intervanción huma. na .ugiriendo po.icionamianto. al oro denador qua a lo. poco. minuto. va ofreciendo .oluciones que a .u vez pueden .er de nuevo modificada.. 3.- Verificación E.ta fa.e daba .er exahu.tiva y actualmente .e di.pone de programas,que ejecutado. correctamante, .on capaces da detactar prácticamenta el 1000/0 da e. rrore.. MASCARA CONTACTO MASCARA ZONAS OXIDO DELGADO (GATES+ CONTACTOS) Sobre el trazado compue.to da células .a ejecuta primeramente al VRD a fin de validarlo. En paralelo .e ejecuta un programa de Análi.i. de Nodos que,calculando la capacidad a.ociada a pi.tas y difu.iona., permita asegurarse de que las puerta. son capaces de transmitir su información a la frecuencia e.tablecida. Finalmente, cuando se dispone de: 1.- Simulación lógica correctamante ejacutada. 2.- Estructura geométrica totalmente válidada (VRD), se ejecuta un último programa de correlación Geométrica.Lógica que, usando ficheros producidos por los dos programas anterioras, se encarga de reconocer los elementos lógicos (de la simulación lógica) a través de los poligonos procesados por el VRD. Se inicializa este último programa "marcando" nodos lógicos y sus correspondientes poligonos geométricos de entrada y salida y se le "ayuda" al programa identificando y marcando nadas lógicos y sus equivalentes poligonos en algunos puntos interiores del circuito. Este último dato facilita al programa la completa identificación lógico/ geométrica del circuito. 5a MASCARA METAlIZACION PUERTA NOR DE 3 ENTRADAS Una vez se ha producido una cinta magnética completamente valida se acaba la fase de diseño y se pasa a la de fabricación del prototipos. Diseno de un circuito L.5.I. La relación complejidad/tamaño de un circuito LSI es al.qo que, en general, produce respeto y asombro. El unico equipo de ingenieros españoles dedicado, si no a la fabricación, si al diseño de circuitos digitales LSI se encuentra en el Laboratorio de Standard. El responsable de este equipo es nuestro compañero RAFAEL BURRIEL LLUNA quien ha elaborado este artículo (gracias, Rafa) que, dividido en dos partes por su extensión, pretende dar una idea global del proceso seguido desde la concepción de un circuito hasta su fabricación. 1. INTRODUCCION Este articulo tiene como fin la divulga. ción del proceso general de obtención lÍe un circuito lSI mediante el procedimien. to de disefto para el cliente (custom design), desde la detección de una función a realizar, pasando por selección de tecno. logia (sin profundizar en el tamal, disefto, verificación, etapas de proceso, validación y producción. Para un astudio más detallado sobre el comportamiento de los transistores MOS y tecnologias emplaadas. podríamos recomendar: Integrated Circuit Engenearing, GlaserlSubak.Sharpe MOS/lSI Basic Device Design & Integrated Circuit Design, Charles Botchar (MOS Engineering Consultants) la marcha de un disefto para el clien. te se puede representar madiante el dia. grama de actividades adjunto al que nos iramos refiriendo a lo largo del articulo. 2. SELECCION DE TECNOLOGIA Partiendo de cero, esta atapa requiere conocimiantos profundos de semiconductores, procesos, áreas limpias, tecnologias, etc... a fin da evaluar correctamente a los fabricantas considerados. Esta dificultad se puade obviar si se dispone de Consultores que periódicamenta inspeccionen los procesos empleados por los Fabri. cantes. Para asegurar el suministro futuro de circuitos, tendremos que considerar la raputación dal fabricante, asr como procesos y fabricantes compatibles con el primero para garantizar una segunda fuente. la selección de la tecnologra adecuada (partiendo del hecho de que para este tipo de disefto tiene que haber sido probada ampliamente) no es dificil conociendo los datos como la frecuencia requerida, consumo, niveles de tensión/corriente de la interfase y demás particularidades del circuito a integrar. 2-BIT (A+B)A"B = AB+AB miento dal disefto a diferentes secuencias de entrada y, con vistas a las pruebas finales, cómo ha sido de exhaustivo el ajarcicio de los nodos de la rad lógica, de modo que sa pueda utilizar las secuen. cias de entrada y tablas da salida como prueba de los circuitos ya ancapsulados. Es indispansable que al realizar el dise. fto se incluyan a la .vez facilidades de pruaba que hagan factible a posteriori (con al circuito ya encapsulado) una prue. ba rápida y eficaz del lSI. En esta fase como en las postariores se necesita el acceso a un ordenador suficiantemente potente: de uso general IBM o PDP 11 u orientado como el PRIME. 5. DISEÑO DE CIRCUITOS y ANALlSIS DE TRANSITORIOS En esta etapa se diseftan las difusiones, oxidacionas, metalizaciones, etc. al detalle de cada bloque lógico a escala variable en. tre 400X y 800X (ver ejemplo de circuito de la portada en al que cada máscara está representada por un color). Rojo - Difusión de Boro Anillo de guarda para P+I baftera de boro para MOS de canal N. Difusión de Fósforo N+ Verde Negro - Area de óxido delgado (contactos+puertas) Naranja - Area de contacto Azul - Metalización. Cuando se ha obtenido el primer layout de la puerta lógica tal como la EXNOR, se ejecuta sobre dicho disefto un 6-BIT programa de análisis da transitorios cuya entrada son poUgonos cualificados (difu. sión, oxidación, metalizaci6n, etc,) y pa. rámatros fisicos del proceso empleado, tales como vol taja umbral de los MOS, concantración de donantes P+ y N+ margan de temperaturas, espesor del óxido delgado y grueso, atc. Este programa calcula el comporta. miento dinámico de las puertas para caro gar los nodos capacitivos de la rad lógica a la fracuencia prefijada y representa gráficamante los estados transitorios a que diera lugar. Tambien incluye el análisis del circuito en continua. Este programa se ajecuta las veces que sean necesarias y se repite para todas las células usadas. 6. ENTRADA DE DATOS AL EQUIPO DE DIGITIZACION Equipo de digitización; Es un equipo auxiliar con amplios recursos de dibujo, orientado al disefto de máscaras (se usa también para circuitos impresos), con el fin de obtener una cinta magnética que contenga la descripción completa (po ligonos cerrados en diferentas capas) del circuito lSI. Esta cinta va a ser verificada por al ordanedor y d. ella el fabricante extraerá la información necesaria para obtenar las máscaras. los elementos que componen este equipo son; 1.- Tablero de digitización y pantalla (fondo e izqda. de foto) para entrada de datos. Desde el tablero se envian las coordenadas de los vértices de los pol(gonos de las máscaras en capas independientes (hasta 29 capas). 2.- Tablilla da edición y pantalla (mesa con "tablilla", lápiz electrónico, pantalla a la derecha de la fotografia) para edición y corracción de los arro. res comatidos an las diversas atapas de generaci6n de la cinta magnática. Estos errores van a consistir principal. mente an violación de las reglas de disefto, tales como anchura da pistas, separaciones, cortocircuitos, etc. para lo que se dispone de un amplio rapertorio de comandos qúe realizan rápi. da y fácil menta la edición del circui. to. 3.. Unidad de representación gráfica para el dibujo de células, máscaras y circuitos, con amplias facilidades de asca. lamiento ( la portada representa una parte de un circuito lSI tecnolog(a CMOS puerta de metal con anillo sencillo de guarda). 4.- Unidad central, formada por un miniordenador con teletipo y Unidad de Discos y de cinta magnética (no representados en la fotografia). 7. TRAZADO DE UN CIRCUITO LSI (Trazado compuesto) El proceso de formación de un circuito lSI se realiza en las siguientes etapas. 1.- Creación de Bibiioteca Entrada de datos y formación de células (representan bloques lógicos) para crear una biblioteca de células. Una vez REGLAS DE DISElliO TIPICAS CMOS METAL GATE (INCOMPLETAS Concepto Distancia metal a metal Distancia difusión "P" y "N" a "N" Anchura metal Anchra difusión P o N Distandia dif P a dif N igual potencia Distancia dif P a dif N distinto potencial Solape metal a contacto Difusión N/P a óxido delgado no asociado Minimo 8p Hoy dia se puede decir que la tecnolo. gla PMOS (bien con puerta da matal o de silicio poli cristalino) ha quedado obsolata para nuevos diseftos que tienden hacia tecnologia NMOS (Metal Gate o SiIicon Gata) para frecuencias hasta 5 MHz con interfase adecuada a TTl y consumo tipico del orden de 100 mA. En caso de consumo critico máximo del orden de 100 uA, tensiones de alimentación variable 2.5 .;; Vdd .;; 15 Vdc y frecuencia moderada";; 1 MHz empleariamos tecnologia CMOS (Metal Gate o Silicon Gate) qua incorporaría variantes de proceso (Implantación lónica) o de diseño (como anillos de guarda sencillos o dobles) que el fabricante incorpora considerando los parámetros especificados. No debemos olvidar que para esta tipo de disefto no se dispone de las tecnologias punta que los fabricantes usan en los últimos microprocesadores o memorias sino que se usan tecnologías estandard y con reglas de diseño holgadas y compatibles con diversos fabricantes a fin de ob. tener un buan rendimiento y conseguir una segunda fuente. Tecnologias como 12l (lntegrated Injection logic) y CDI (Collector Diffusion Isolation) todavia no son populares en los diseños digitales para clientes mientras que la tecnologia SBC (Standard Buried Collector) se usa diseño de lSI linea. les. 3. DISEÑO DEL SISTEMA Y PARTlCION las ventajas de la integración a gran escala, consumo, espacio, precio, etc. se manifiestan mejor cuando se tiene en cuenta a la hora de definir el sistema que se si se trata de sustituir placas de circuito impreso con una práctica de equipos ya definida y fuentes de alimentación ex istentes. Al realizar la primera partición en la fase de diagramas de bloque conviene tener en cuenta las características de lSI a fin de definir una arquitectura básica de disefto compatible con el lSI. Datos a tener en cuenta son: Integración máxima viable hoy en dia: Del orden de 600/1500 puertas lógicas equivalentes según t e C n o I o g i a CMOS/NMOS, para Custom Design. máximo nO de terminales: 40. - consumo de potencia dependiendo de la tecnología empleada NMOS/CMOS. - Interfase adecuada (TTl, CMOS...I FIG -1 ESTRUCTURA C. MOS COMPLEMENTARIA (C. MOS) CANAL N CANAL P SOURCE GATE DRAIN SOURCE GATE DRAIN SILICIO TIPO-N SECUENCIA DE MASCARAS PARA FABRICACKJN BANERA P DIFUSKJN P+ DIFUSION N + GATE ICONTAC1D CONTto:;TO METAL 4. DISEÑO LOGICO, PROGRAMAS DE SIMULACION y CAPACIDAD DE COMPROBACION Una vez definido el sistema y los bloques funcionales se pasa a la implementación de dichas funciones con elementos lógicos básicos, tales como puertas NAND, NDR, EXOR, BIESTABlES, ETAPAS DE REGISTRO DE DESPLAZAMIENTO, MEDIO-SUMADORES, etc... los elementos lógicos básicos seleccionados para su disefto en células, deben ser los más adecuados al tipo de Ibgica usada, de modo que su número sea reducido y con gran aprovechamiento de áraa-función lógica. Ha habido una evolución dentro del disefto lógico y el ~so de lógica dinámica de 2 y 4 fases (con precarga) ha sido desplazada por diseño lógico estático convencional con uso de puertas de transferencia (bidireccionales) simulando fases de aceptación y entrega de datos (uso de técnica sample and hold), . Realizado el disefto lógico se procede a su simulación por ordenador y en paralelo (opcional) a construir un modelo de laboratorio para verificar que el disefto lógico responde a las necesidades especificadas. los programas de simulación aceptan como entrada la descripción lógica del esquemático, condiciones iniciales, retrasos prefijados para puertas y secuencias variadas de entrada de datos y relojes. Ofrecen a la salida una monitorización detallada de todos los nodos seleccionados hasta un número suficiente de perio. dos de reloj (30.000 impulsos de reloj por ejecución), listas de fan-out, cualificación de las tablas de entradalsalida y otras facil idades. Una ve! ejecutado correctamente el programa de simulación lógica se posee un estudio detallado del comporta
30 oct 2015