ГЛАВА 8 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 4 страница

Основным материалом монолитных микроволновых интеграль­ных микросхем (М ИС) в настоящее время является арсенид гал­лия. Поскольку технология арсенида галлия и транзисторов на его основе не была в достаточной степени отработана, первые разра­ботки в области твердотельной интегральной электроники СВЧ представляли собой ГИС, толстопленочные или тонкопленочные, с кремниевыми биполярными транзисторами, чаще всего в бескор- пусном исполнении.

Основной тип СВЧ-транзисторов — это полевые транзисторы с барьером Шоттки в качестве затвора, выполненные по арсе- 226

гП

нид-галлиевой технологии. Весьма перспективными являются при­боры, реализованные на нитриде галлия. Разнообразные типы по­левых транзисторов можно классифицировать по механизму пере­носа носителей. На рис. 8.27 даны применяемые транзисторные структуры различных ВЧ- и СВЧ-технологий: НРЕТ — полевой ге­теротранзистор; МЕЗРЕТ — полевые транзисторы с затвором Шоттки; НЕМТ, рНЕМТ — псевдоаморфные транзисторы с высо­кой подвижностью электронов; ЯРСМОБ — биполярно-компле­ментарные транзисторы; НВТ — биполярные гетеротранзисторы; 11РВ№ — биполярные транзисторы.

Для монолитных СВЧ ИС характерным является их малая сте­пень интеграции, функциональная законченность, при которой не требуется использование внешних задающих или подстроенных элементов. На основе монолитных интегральных схем созданы ма- лошумящие усилители, смесители, модуляторы, а также устройства более высокого уровня, такие как приемники, передатчики.

Успехи в области разработки конструкции и создания техноло­гии арсенид-галлиевых транзисторных структур позволяют наде­яться на расширение их потребности в ВЧ-схемах, малошумящих усилителях и усилителях мощности.

Если первые промышленные арсенид-галлиевые интегральные схемы предназначались только для военных систем связи, то в на­стоящее время ожидается их широкое применение в системах гра­жданской коммуникации следующего поколения.

СВЧ-техника, безусловно, относится к наиболее приоритетным направлениям научно-технического и технологического развития отечественной элементной базы. Среди достоинств радиосистем СВЧ-диапазона следует отметить большой объем передаваемой ин­формации, небольшие размеры приемопередающих антенн, мини­мальные вносимые временные задержки и переходные помехи ме­жду каналами, снижение затрат на обслуживание и повышение на­дежности системы связи.

Технология монолитных СВЧ-микросхем в радиолокации пока не исключает широкого применения электровакуумных приборов.

Из рис. 8.28 следует, что в направлении мощных вакуумных усилителей на медленных волнах уже в начале 1970-х гг. достигну­ты предельные потенциальные характеристики соответственно 70 МВт • ГГц² для клистронов и 20 МВт • ГГц² для ЛБВ. Эти пре­дельные характеристики отражены в диаграмме в виде штрихпунк- тирной линии 1 — вакуумные усилители на медленных волнах. Очерченная этой линией область останется неизменной в ближай­шее десятилетие.

Штриховая линия 2 — вакуумные усилители на быстрых вол­нах — ограничивает область потенциальных характеристик вакуум­ных усилителей на быстрых волнах, основными представителями которых являются гироприборы и лазеры на свободных электро­нах. В 2000 г. Pf² достигли значений 20 ООО для гироприборов и 10⁷ для лазеров. Они далеки от перехода в насыщение, что объясняет­ся, в первую очередь, ростом рабочих частот и переходом их в све­товой диапазон за частотные пределы нашего анализа.

Наконец, пунктирная линия 3 в нижней половине диаграммы ограничивает область потенциальных характеристик мощных тран­зисторов и СВЧ ИС с малой степенью интеграции на основе крем­ния и арсенида галлия.

Реально существующие типы разработанных и выпускаемых отечественной промышленностью приборов имеют потенциальные характеристики, как правило, заметно уступающие предельным. Это открывает определенные перспективы в ближайшие годы.

8.7. Микропроцессоры и микроконтроллеры

Микропроцессоры, или центральные процессоры, — Central Processing Unit (CPU) — функционально законченные программ­но-управляемые устройства обработки информации, выполненные в виде одной или нескольких больших или сверхбольших интеграль­ных схем. Микропроцессор является самостоятельной или состав­ной частью вычислительного устройства, осуществляющего процесс обработки информации и управление этим процессом. Первый мик­ропроцессор МП 4004 был разработан в 1971 г. сотрудниками ком­пании «Intel» как реализация идеи объединения функций несколь­ких специализированных интегральных схем в одну универсальную микросхему. Управление такой микросхемой осуществлялось набо­ром команд, а сама микросхема имела широкое применение. С пер­вого выпуска и до сегодняшнего дня компания «Intel» является ли­дером разработки и производства микропроцессоров. В настоящее время выпускают несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропро­цессоры фирмы «Intel» и им подобные.

Микропроцессор характеризуется производительностью, раз­рядностью массива обрабатываемых данных и выполняемых ко­манд, числом команд и внутренних регистров, возможностью обес­печения режима прерывания и числом уровней прерывания, объе­мом адресной памяти, наличием канала прямого доступа к памяти, способом управления и видом программного обеспечения.

Универсальными называют микропроцессоры, которые могут ис­пользоваться в системах обработки разнотипных информационных массивов.

Специальные микропроцессоры используют для построения оп­ределенного типа вычислительного устройства, предназначенного для обработки специализированного информационного массива.

Микропроцессоры со схемным управлением работают в режиме по­стоянного набора команд и соответствующей электрической схе­мой. Они отличаются высоким быстродействием.

Микропроцессоры с микропрограммами управления работают под управлением определенной последовательности микрокоманд. Это уникальный тип микропроцессоров, позволяющих легко пере­страиваться с одной программы на другую.

Различают две архитектуры построения функциональной схемы микропроцессоров, два метода работы с памятью. Еще в 1945 г. Джон фон Нейман предложил архитектуру процессора с объединен­ной памятью программ и данных и последовательным циклом обра­щения к памяти. Такая вычислительная машина была создана в Принстонском институте новейших исследований в 1951 г.

Неймановская архитектура содержит три функциональных блока: память, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и блок ввода-вы­вода информации и предполагает использование только одной шины памяти. Это просто в использовании, однако каждое обращение к па­мяти проходит через интерфейс, постоянно нагружая его. Это приво­дит к повышенной нагрузке на шины адреса и данных, что является причиной снижения производительности микропроцессора.

Гарвардская архитектура предусматривает разделение областей памяти программ и данных. Команды поступают на дешифратор независимо от данных, которыми обменивается процессор и ОЗУ. Это позволяет распараллелить процесс обработки информации и повысить быстродействие микропроцессора, что одновременно ус­ложняет адресацию. Поэтому необходимо формировать два адрес­ных пространства: память программ и память данных. Собствен­ные их линии связи позволяют одновременно пересылать команды и данные, что резко повышает производительность процессора.

Иногда требуется произвести выборку не двух, а трех компо­нентов. В этом классическая гарвардская архитектура дополняется кэш-памятью, предназначенной для хранения многократно ис­пользуемых инструкций, что позволяет освободить от загрузкй шины адреса и данных. Такая архитектура получила название рас­ширенная гарвардская архитектура (Super Harvard ARCitecture— SHARC).

Классическая CISC-архитектура (Complex Instruction Set Computer) была разработана первой и долгое время была единствен­ной общепринятой. Эта архитектура с полным набором команд не способствовала повышению тактовой частоты, а следовательно, и производительности.

Была предложена RISC (Reduced Instruction Set Computer)-a.pxn- тектура, сущность которой заключается в сохранении в CISC-архи­тектуре системы команд наиболее употребляемых и универсальных конструкций. Сложные и редко используемые инструкции при этом исключают.

В основе RIS С- архите кту ры лежат четыре основополагающих принципа: любая операция выполняется за один такт; система ко­манд содержит минимальное число инструкций одинаковой дли­ны; операцию обработки данных реализуют в формате «регистр — регистр»; результаты формируются со скоростью одно слово за такт.

Такой микропроцессор с сокращенным набором команд позво­лил высвободить часть поверхности кристалла процессора для раз­мещения более мощных средств обработки данных.

Микропроцессоры типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд и весьма высоким быстродейст­вием в настоящее время находятся в стадии разработки.

Микропроцессоры могут выполняться в виде одной БИС и но­сят название однокристальные микропроцессоры. Если микропроцес­соры выполнены по принципу секционирования, позволяющего расширение разрядности и увеличение ЗУ, то говорят о секциони­ровании микропроцессора. Микропроцессор прежде всего нужда­ется в расширении оперативной и постоянной памяти. Оператив­ное ЗУ и запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) используют с микропроцессорами для хранения системных переменных и в качестве рабочей области поля оперативной памя­ти. В операционной системе используют ОЗУ для размещения управляющей программы в целях организации стека для временно­го хранения данных. Часть ОЗУ предназначена для оперативного хранения небольших программ и данных. При применении растро­вого дисплея часть ОЗУ используют для экранной памяти.

Постоянное запоминающие устройство (ПЗУ) в микропроцес­сорных системах используют для хранения управляющих про­грамм, операционных систем и интерпретаторов языков програм­мирования высокого уровня. Поэтому применяют различные типы ПЗУ: программируемые с плавкими перемычками и масочные, стираемые, репрограммируемые. Так формируется микропроцессор-

ный комплект интегральных схем, который представляет собой кон­структивно и электрически совместимые ИС. Он позволяет сфор­мировать как отдельные микропроцессоры, так и служит основой создания микроЭВМ и других вычислительных устройств с задан­ными техническими характеристиками. Микропроцессорный ком­плект может быть функционально расширен за счет других совмес­тимых типов ИС ЗУ, интерфейсными ИС, контроллерами и т.д.

На кристалле микропроцессора располагаются 4 • 10⁷ транзисто­ров (микроархитектура). Первоначально использовалась КМОП-тех- нология с топологическими нормами 0,18 мкм. Максимальная так­товая частота составляла 1,5 ГГц. Переход на топологическую нор­му 0,13 мкм с использованием 6-слойной системы медных межсо­единений позволил перейти на тактовую частоту до 2 ГГц. Кри­сталл размещается в 423 выводном корпусе типа PPGA (Plastic Pin Grid Array) (рис. 8.29). Вокруг кристалла находятся столбиковые выводы (Solder Bumps), их общее число составляет около 5 тысяч. Чип соединяется с корпусом с помощью недоливка (Underfill) для компенсации разницы температур и паразитных тепловых полей. Конструирование микропроцессоров очень емкий процесс. Поэто­му создают специальные мощные подразделения, способные ре­шить проблемы создания многоядерных чипов с миллиардом тран­зисторов и частотой 10 ГГц.

Тенденция в развитии микропроцессоров такова, что интенсив­но развивается высокая степень параллелизма процессов обработки информации. Этому способствует прежде всего гарвардская струк­тура с разделением потока данных и команд. Одновременно разра­батывается двух- и многоядерная архитектура микропроцессоров.

Цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) (Digital Signal Processor — DSP) — разновидность микропроцессоров, предназначены для об­работки в реальном масштабе времени потоков данных, образован­ных в результате оцифровывания ана­логовых сигналов. ЦСП отличаются высокой производительностью и воз­можностью интенсивного обмена дан­ными с внешними устройствами, что позволяет с их помощью решать зада­чи цифровой обработки информации. Современные ЦСП производят вычисления с несколькими потоками данных. Это становится возможным Рис. 8.29. Общий вид кристалла благодаря реализации нескольких Pentium-4 в корпусе процессорных ядер на одном кристаЛ-

ле. Производительность такого процессора резко повышается за счет распараллеливания процесса обработки сигналов.

Цифровые сигнальные процессоры имеют два вида архитекту­ры: неймановскую и гарвардскую. Классифицируют ЦСП по про­изводителю и семейству. Основными производителями таких про­цессоров являются фирмы «Texsas Instrument», «Analog Devises», «Freescale Semiconductor».

Микропроцессорные системы. Микропроцессоры и устройства на их основе в современной микроэлектронике являются наиболее значимыми и распространенными изделиями.

Микроконтроллер представляет собой микросхему, предназна­ченную для управления электронными устройствами. Эта инте­гральная схема может быть выполнена на основе одной или не­скольких микропроцессорных БИС и способна к программирова­нию. В последнее время наиболее популярны однокристальные микроконтроллеры, которые воплощают идеи системы на одном кристалле, т.е. если к микропроцессору добавить ОЗУ, резидент­ную память данных (переменных), ПЗУ команд или резидентную память программ, внутренний генератор тактовых сигналов, а так­же программу интерфейса, то создадим микроконтроллер.

Для микроконтроллеров характерны малая потребляемая мощ­ность, расширенные возможности работы с памятью, низкая стои­мость. Именно поэтому спектр применения микроконтроллеров очень широк: микроАТС, мобильные телефоны, факсы, модемы, пейджеры, таймеры, измерительные приборы, приборы сигнализа­ции, системы синтеза речи, видеоигры и многое другое.

Большинство современных микроконтроллеров имеют RISC-ядро (Reduced Instruction Set Code) или ядро с сокращенным набором команд и соответствуют промышленному стандарту про­изводительности 5 • 10⁶ оп./с. Существуют более 200 модификаций микроконтроллеров, среди которых весьма популярны семейства: Intel (MCS-51, MGS'-151/251, MCS-96/196/296); Motorola (HC05/HCL05, HCL05,HC\ I,НС 12); Microchip (PIC\0,PIC\2, HIC\4, PIC\6).

МикроЭВМ — это конструктивно завершенное вычислительное устройство, реализованное на базе микропроцессорного комплекта СБИС и оформленное в виде автономного устройства с источни­ком питания, интерфейсом, устройством отображения информа­ции и комплектом программного обеспечения.

МикроЭВМ получили название персональные компьютеры (ПК). Они широко применяются во всех сферах человеческой деятельно­сти. Персональные компьютеры ориентированы как на широкое

применение, так и на решение специальных задач, например в бортовых системах.

Суперкомпьютер — вычислительное устройство общего назначе­ния, выполняющее большие вычислительные задачи с числом опе­раций порядка триллиона. Производительность или вычислитель­ная мощность суперкомпьютеров измеряется в следующих едини­цах: мегафлоп (М Flops) — миллион операций в секунду; гигафлоп (GFlops) — миллиард операций в секунду; терафлоп (TFlops) — триллион операций в секунду.

Суперкомпьютеры являются стратегическим товаром и редко пересекают границы государств-производителей.

Принято считать, что эру суперкомпьютеров открыла матричная система ILLIAC IV, созданная NASA в Иллинойском университете (США). Производительность этой машины составила 20 мегафлоп. Последовавшие затем многочисленные попытки совершенствовать матричную структуру показали ограниченность области примене­ния таких матричных суперЭВМ.

В 1972 г. после раскола компании «Control Dale» ее ведущий со­трудник Саймур Край организовал собственную фирму, которая захватила две трети рынка средств вычислительной техники сверх­высокой производительности. В 1974 г. увидел свет первый супер­компьютер CRAY-1. В его основе лежало: векторно-конвейерная архитектура, блестящая инженерная разработка архитектуры и оп­тимизированные программные средства. Затем появились CRAY-2, CRAY-3, CRAY-4 и CRAY-Y-MPC90. Позднее появились суперЭВМ японского производства, которые уступали по производительно­сти, но были дешевле.

Произошла «микропроцессорная революция», сущность кото­рой заключалась в объединении сотен и более стандартных микро­процессоров в вычислительную систему сверхвысокой производи­тельности. В 2010 г. опубликована 34 редакция списка 500 ведущих суперкомпьютерных держав {ТОР500). Лидируют две американские петафлопсные системы Roadrunner производства «IBM» и «Jaguar», созданная «Cray». Число процессорных ядер в них соответственно составляет 224 162 и 122 400. Установленный в России сервис-про­вайдер «Ломоносов» содержит 35 360 процессорных ядер и имеет производительность 350 100 гигафлоп. В списке этот компьютер за­нимает 12 место, а 54 место занимает Межведомственный супер- компьютеный центр РАН и 103 место SKIF/T-Platforms при Мос­ковском государственном университете. Суперкомпьютер МГУ со­держит 5000 процессорных ядер и имеет максимальную производи­тельность 47 170 гигафлоп. В МГУ имеется также компьютер Btke

Qene с максимальной производительностью 23 415 гигафлоп, зани­мающий 378 строку в списке. Практически вся элементная база отечественных суперкомпьютеров, включая микропроцессоры, им­портная и все же это определенный успех хтя России.

Создание и использование суперкомпьютеров — одна из страте­гических задач государства, позволяющая ему обеспечить незави­симость как при проведении фундаментальных исследований, так и при создании высокотехнологической продукции.

Система на кристалле. В своем непрерывном развитии рынок микроэлектроники постоянно выдвигает все новые и более жест­кие требования к изделиям. Потребитель хочет получать быстро­действующую, надежную и в то же время малогабаритную и энер­гоэкономичную продукцию. Два этих противоречивых требования усугубляются тем, что микроэлектронные поколения очень быстро стареют, время морального износа исчисляется иногда месяцами. Одним из способов разрешения данного противоречия стало созда­ние заказных ИС с большим числом элементов и со сложной внут­ренней структурой, от которых требовались возможность гибкой специализации «под задачу» и кратчайшее время выхода на рынок. Такая ситуация стимулировала появление нового класса интеграль­ных микросхем — система на кристалле.

Система на кристалле (System-on-a-Chip, SoC) представляет со­бой микроэлектронную схему, выполняющую функции определен­ного электронного устройства и размещенную на одной подложке.

В зависимости от назначения она может оперировать как цифро­выми сигналами, так и аналоговыми, аналого-цифровыми, а также частотами радиодиапазона. Как правило, применяют в портатив­ных и встраиваемых системах. Если разместить все необходимые Цепи на одном полупроводниковом кристалле не удается, применя­ется схема из нескольких кристаллов, помещенных в единый кор­пус (System in a package, SiP). Система на кристалле считается эко­номически более выгодной конструкцией, так как позволяет увели- ^чить процент выхода годных устройств при изготовлении и упро­сить конструкцию корпуса.

В основе методологии проектирования SoC лежит принцип по­зорного использования блоков (reuse), т.е. сложные функциональ­ные блоки, разрабатываемые в рамках одного проекта или специ­ально, затем используют в других проектах. По аналогии с систе- ^Мой на плате, где в качестве компонент выступают готовые микро­схемы, система на кристалле конструируется из повторно исполь­зуемых блоков. В настоящее время для обозначения т«е-блока

наиболее часто используется термин «/Р-блок» (Intellectual Property) или блок, представляющий собой объект интеллектуальной собст­венности. /P-блоки могут быть двух типов: мягкие (soft), описан­ные на RTL-уровне, и жесткие (hard) — на топологическом уровне. Фактически весь процесс разработки So С делится на четыре этапа: разработка архитектуры SoC на системном уровне; выбор имеющихся /Р-блоков из базы данных (внутри фирмы, других фирм или поставщиков /Р-блоков); проектирование оставшихся блоков; интеграция всех блоков на кристалле.

На рис. 8.30 представлен пример структуры системы на кристал­ле в общей форме. В состав SoC входят следующие компоненты: микропроцессор (или микропроцессоры) и подсистема памяти (статической и/или динамической). Тип процессора может варьиро­ваться от простейшего 8-разрядного до высокоскоростного 64-раз- рядного RISC-процессора;

шины центральная (высокоскоростная) и периферийная, чтобы обеспечивать обмен данными между блоками;

контроллер внешней памяти для расширения памяти, например DRAM, SRAM или Flash;

контроллер ввода-вывода информации: PCI, Ethernet, USB и т.п. видеодекодер, например MPEG2, AVI, ASF; таймер и контроллер прерываний;

общий интерфейс ввода-вывода, например, чтобы вывести на светодиодный индикатор информацию о наличии питания; интерфейс UART (universal asynchronous receiver/transmitter).

&

Можно выделить две характерные для систем на кристалле осо­бенности: использование 1Р-блоков в качестве основных структур­ных элементов и наличие встраиваемых программируемых процес­сорных ядер. Системы на кристалле потребляют меньше энергии, стоят дешевле и работают надежнее, чем наборы микросхем с той же функциональностью. Меньшее число корпусов упрощает мон­таж. Тем не менее создание одной слишком большой и сложной системы на кристалле может оказаться более дорогим процессом, чем серии из маленьких из-за сложности разработки и отладки и снижения процента годных изделий.

Контрольные вопросы

1. Что такое интегральная схема?

2. По каким признакам можно классифицировать ИС?

3. Что такое степень интеграции?

4. Что такое логический элемент ИС?

5. Что такое логическая ИС комбинационного типа?

6. Что такое логическая ИС последовательностного типа?

7. Что такое передаточная характеристика логической схемы?

8. Как работает логическая ячейка типа И²Л? Какую логическую функцию она выполняет?

9. Как работает логическая ячейка типа ТТЛ? Какую логическую функцию она выполняет? Расскажите о ячейке ТТЛШ.

10. Как работает логическая ячейка типа ЭСЛ? Какую логическую функцию она выполняет?

11. Расскажите о работе КМОП-инвертора.

12. Как формируется логическая ячейка типа И — НЕ на МОП-тран- зисторах?

13. Как формируется логическая ячейка типа ИЛИ — НЕ на МОП-тран- зисторах?

14. Как формируется логическая ячейка на КМОП-транзисторах?

15. Расскажите о логических элементах на основе ваАя структур.

16. Логические элементы на БиКМОП-структурах.

17. Что такое ЗУ и какие функции оно выполняет?

18. Дайте определение ОЗУ. Какие функции оно выполняет?

19. Дайте определение ПЗУ. Какие функции оно выполняет?

20. Дайте определение РПЗУ. Какие функции оно выполняет?

21. Как вы понимаете матричную организацию ЗУ?

22. Как формируются ячейки памяти на МОП-транзисторах?

23. Как формируются ячейки памяти на биполярных транзисторах?

24. Что такое ЗУ динамического типа?

25. Что такое ЗУ статического типа?

26. Как организовано энергонезависимое ЗУ? ,

27. Расскажите о флеш-памяти.

28. Что такое аналоговые ИС?

29. Что такое Дифференциальный усилитель?

30. Что такое операционный усилитель?

ЧАСТЬ IV