Вентильная матрица

Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . Пожалуйста, помогите улучшить ее, чтобы сделать ее понятной для неспециалистов , не удаляя технические детали. ( Апрель 2024 ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

Для проверки этой статьи нужны дополнительные цитаты . Помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Материалы без источников могут быть оспорены и удалены. Найти источники:  «Gate array» – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( апрель 2023 г. ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Матрица вентилей — это подход к проектированию и производству интегральных схем специального назначения (ASIC) с использованием готового чипа с компонентами, которые впоследствии соединяются в логические устройства (например, вентили NAND , триггеры и т. д.) в соответствии с индивидуальным заказом путем добавления слоев металлических соединений на заводе. Она была популярна во время переворота в полупроводниковой промышленности в 1980-х годах, и ее использование снизилось к концу 1990-х годов.

Аналогичные технологии также использовались для проектирования и производства аналоговых, аналого-цифровых и структурированных матриц, но, как правило, они не называются вентильными матрицами.

Вентильные матрицы также известны как нефиксированные логические матрицы (ULA), которые также предлагают функции линейных схем ^[1] и полузаказные микросхемы . ^{[ необходима ссылка ]}

У вентильных матриц было несколько параллельных путей развития. Ferranti в Великобритании была пионером в коммерциализации биполярной технологии ULA, ^[2] предлагая схемы «от 100 до 10 000 вентилей и выше» к 1983 году. ^{[3] [4]} Раннее лидерство компании в области полузаказных чипов с первым применением интегральной схемы ULA с использованием камеры от Rollei в 1972 году, расширение до «практически всех европейских производителей камер» в качестве пользователей технологии, привело к доминированию компании на этом конкретном рынке в течение 1970-х годов. Однако к 1982 году около 30 компаний начали конкурировать с Ferranti, что сократило долю рынка компании примерно до 30 процентов. «Основными конкурентами» Ferranti были другие британские компании, такие как Marconi и Plessey, обе из которых лицензировали технологию у другой британской компании, Micro Circuit Engineering. ^[5] Современная инициатива UK5000 также стремилась создать КМОП-матрицу с «5000 пригодных для использования вентилей» при участии British Telecom и ряда других крупных британских технологических компаний. ^[6]

IBM разработала собственные биполярные мастер-слайсы, которые она использовала в производстве мэйнфреймов в конце 1970-х и начале 1980-х годов, но никогда не коммерциализировала их вовне. Fairchild Semiconductor также недолго флиртовала в конце 1960-х годов с биполярными массивами диодно-транзисторной логики и транзисторно-транзисторной логики под названием Micromosaic и Polycell. ^[7]

Технология КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник ) открыла дверь к широкой коммерциализации вентильных матриц. Первые вентильные матрицы КМОП были разработаны Робертом Липпом ^{[8] [9]} в 1974 году для International Microcircuits, Inc. ^[7] (IMI) — магазина фотошаблонов в Саннивейле, основанного Фрэнком Деверсом, Джимом Таттлом и Чарли Алленом, бывшими сотрудниками IBM. Эта первая линейка продуктов использовала 7,5-микронную одноуровневую металлическую КМОП-технологию и имела от 50 до 400 вентилей . Технология автоматизированного проектирования (САПР) в то время была очень примитивной из-за низкой доступной вычислительной мощности, поэтому проектирование этих первых продуктов было автоматизировано лишь частично.

Этот продукт стал пионером в нескольких функциях, которые впоследствии стали стандартными в будущих разработках. Наиболее важными были: строгая организация n-канальных и p-канальных транзисторов в 2-3 парных рядах по всему чипу; и выполнение всех межсоединений на сетках, а не на минимальном настраиваемом расстоянии, что было стандартом до того времени. Это позднее нововведение проложило путь к полной автоматизации в сочетании с разработкой 2-слойных матриц КМОП. Настройка этих первых деталей была несколько утомительной и подверженной ошибкам из-за отсутствия хороших программных инструментов. ^[7] IMI использовала методы разработки печатных плат для минимизации усилий по ручной настройке. Чипы в то время проектировались вручную, все компоненты рисовались и соединялись на прецизионных листах майлара с сеткой, с использованием цветных карандашей для разметки каждого слоя обработки. Затем листы рубилита разрезались и очищались для создания (обычно) масштабного представления технологического слоя в 200x–400x. Затем это фотоуменьшалось для создания маски 1x. Оцифровка, а не рубилитовая резка, только появилась как новейшая технология, но изначально она только убрала этап рубилита; чертежи все еще были ручными, а затем «ручная» оцифровка. Тем временем платы ПК перешли от пользовательского рубилита к поликарбонатной ленте для межсоединений. IMI создала масштабные фотоувеличения базовых слоев. Используя наклейки соединений логических вентилей и поликарбонатную ленту для соединения этих вентилей, пользовательские схемы можно было быстро вручную разложить для этих относительно небольших схем и фотоуменьшить с помощью существующих технологий.

После ссоры с IMI Роберт Липп в 1978 году основал California Devices, Inc. (CDI) с двумя молчаливыми партнерами, Берни Аронсоном и Брайаном Тайгом. CDI быстро разработала линейку продуктов, конкурентоспособную IMI, а вскоре после этого — линейку однослойных продуктов с 5-микронным кремниевым затвором и плотностью до 1200 затворов. Пару лет спустя CDI выпустила «бесканальные» вентильные матрицы, которые уменьшили блокировки строк, вызванные более сложным кремниевым подслоем, который предварительно соединял отдельные транзисторные соединения с местами, необходимыми для общих логических функций, упрощая металлическое соединение первого уровня. Это увеличило плотность чипов на 40%, значительно снизив производственные затраты. ^[8]

Ранние вентильные матрицы были малопроизводительными, относительно большими и дорогими по сравнению с современной технологией n-MOS, которая тогда использовалась для пользовательских чипов. Технология CMOS была обусловлена ​​приложениями с очень низким энергопотреблением, такими как часовые чипы и портативные приборы с батарейным питанием, а не производительностью. Они также были значительно ниже производительности существующей доминирующей логической технологии, транзисторно-транзисторной логики . Однако было много нишевых приложений, где они были бесценны, особенно в маломощных, уменьшенных по размеру, портативных и аэрокосмических приложениях, а также в продуктах, чувствительных к времени выхода на рынок. Даже эти небольшие массивы могли заменить плату, полную транзисторно-транзисторных логических вентилей, если производительность не была проблемой. Распространенным применением было объединение нескольких меньших схем, которые поддерживали большую схему LSI на плате, что ласково называлось «сборкой мусора». А низкая стоимость разработки и индивидуальной оснастки сделала технологию доступной для самых скромных бюджетов. Первые вентильные матрицы сыграли большую роль в помешательстве на СВ-устройствах в 1970-х годах, а также послужили средством для внедрения других более поздних продуктов массового производства, таких как модемы и сотовые телефоны.

К началу 1980-х годов вентильные матрицы начали выходить из своих нишевых приложений на общий рынок. Несколько факторов в технологиях и рынках сходились. Размер и производительность увеличивались; автоматизация развивалась; технология стала «горячей», когда в 1981 году IBM представила свой новый флагманский мэйнфрейм 3081 с ЦП, включающим вентильные матрицы. Они использовались в потребительском продукте ZX81, и новые участники рынка повысили видимость и доверие. ^{[10] [11]}

В 1981 году Уилфред Корриган , Билл О'Мира, Роб Уокер и Митчелл «Мик» Бон основали LSI Logic . ^[12] Их первоначальным намерением было коммерциализировать эмиттерно-связанные логические вентильные матрицы, но они обнаружили, что рынок быстро движется в сторону КМОП. Вместо этого они лицензировали линию кремниевых затворов КМОП CDI в качестве второго источника. Этот продукт закрепил их на рынке, пока они разрабатывали свою собственную фирменную 5-микронную 2-слойную металлическую линию. Эта последняя линейка продуктов была первым коммерческим продуктом вентильных матриц, поддающимся полной автоматизации. LSI разработала набор фирменных инструментов разработки, которые позволяли пользователям проектировать свои собственные чипы из своего собственного предприятия путем удаленного входа в систему LSI Logic.

Sinclair Research перенесла улучшенную конструкцию ZX80 на чип ULA для ZX81 , а позже использовала ULA в ZX Spectrum . Совместимый чип был изготовлен в России как T34VG1. ^[13] Acorn Computers использовала несколько чипов ULA в BBC Micro , а позже один ULA для Acorn Electron . Многие другие производители со времен бума домашних компьютеров использовали ULA в своих машинах. IBM PC занял большую часть рынка персональных компьютеров, а объемы продаж сделали полностью заказные чипы более экономичными. Серия Amiga от Commodore использовала вентильные матрицы для заказных чипов Gary и Gayle, как можно предположить из их кодовых названий.

В попытке сократить расходы и повысить доступность проектирования и производства вентильных матриц Ferranti в 1982 году представила инструмент автоматизированного проектирования для своего продукта Uncommitted Logic Array (ULA) под названием ULA Designer. Хотя приобретение этого инструмента стоило 46 500 фунтов стерлингов, он обещал снизить расходы примерно на 5 000 фунтов стерлингов за конструкцию плюс производственные расходы в размере 1–2 фунтов стерлингов за чип при больших объемах производства, в отличие от расходов на проектирование в размере 15 000 фунтов стерлингов, понесенных при использовании услуг Ferranti для процесса проектирования. ^[14] Решение, основанное на миникомпьютере PDP-11/23, работающем на RSX/11M, вместе с графическим дисплеем, клавиатурой, «цифровой платой», пультом управления и дополнительным плоттером, было направлено на удовлетворение потребностей в проектировании вентильных матриц от 100 до 10 000 вентилей, при этом проектирование полностью осуществлялось организацией, приобретающей решение, начиная с «логического плана», продолжая компоновкой логики в самой вентильной матрице и заканчивая определением спецификации тестирования для проверки логики и создания автоматизированного режима тестирования. Проверка завершенных проектов выполнялась «внешними специалистами» после передачи проекта в «центр САПР» в Манчестере, Англия или Саннивейле, Калифорния, потенциально по телефонной сети. Создание прототипов завершенных проектов заняло примерно 3–4 недели. Сам миникомпьютер также можно было адаптировать для работы в качестве лабораторной или офисной системы, где это было уместно. ^[15]

Ferranti продолжила разработку ULA Designer с продуктом Silicon Design System на базе VAX-11/730 с 1 МБ ОЗУ, 120 МБ винчестерным диском и использованием дисплея высокого разрешения, управляемого графическим блоком с 500 КБ собственной памяти для «возможностей высокоскоростного оконного управления, рисования и редактирования». Само программное обеспечение было доступно отдельно для организаций, которые, вероятно, уже будут использовать системы VAX-11/780 для обеспечения многопользовательской среды, но пакет «автономной системы» оборудования и программного обеспечения был предназначен для предоставления более доступного решения с «более быстрым откликом» в процессе проектирования. Набор инструментов, задействованных в использовании продукта, включал ввод логики и определение графика испытаний (с использованием собственных языков описания Ferranti), логическое моделирование, определение и проверку макета, а также генерацию масок для прототипов вентильных матриц. Система также стремилась поддерживать полностью автоматически трассируемые конструкции, используя архитектурные особенности автоматически трассируемых (AR) массивов Ferranti для предоставления «системы автоматической компоновки со 100-процентным успехом», при этом это удобство потребовало увеличения площади кремния примерно на 25 процентов. ^[16]

Другие британские компании разработали продукты для проектирования и изготовления вентильных матриц. Qudos Limited, ответвление Кембриджского университета, предложило продукт для проектирования микросхем под названием Quickchip, доступный для систем VAX и MicroVAX II, а также как комплексное решение «под ключ» стоимостью 11 000 долларов США, предоставляя набор инструментов, в целом аналогичных инструментам продуктов Ferranti, включая автоматическую компоновку, маршрутизацию, проверку правил и функциональность моделирования для проектирования вентильных матриц. Qudos использовала электронно-лучевую литографию ^[17] , травя конструкции на устройствах Ferranti ULA, которые составляли физическую основу этих пользовательских микросхем. Типичные затраты на производство прототипов были заявлены в размере 100 фунтов стерлингов за микросхему ^[18] . Впоследствии Quickchip был перенесен на Acorn Cambridge Workstation , с версией начального уровня для BBC Micro ^[19] и на Acorn Archimedes ^[20] .

Косвенная конкуренция возникла с разработкой программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA). Компания Xilinx была основана в 1984 году, и ее первые продукты были очень похожи на ранние вентильные матрицы, медленные и дорогие, подходили только для некоторых нишевых рынков. Однако закон Мура быстро сделал их силой, и к началу 1990-х годов они серьезно подорвали рынок вентильных матриц.

Разработчики все еще хотели иметь способ создания собственных сложных чипов без расходов на полностью индивидуальный дизайн, и в конечном итоге это желание было удовлетворено с появлением не только ПЛИС, но и сложных программируемых логических устройств (CPLD), стандартных ячеек с металлической конфигурацией (MCSC) и структурированных ASIC. В то время как для вентильной матрицы требовался внутренний литейный цех полупроводниковых пластин для нанесения и травления межсоединений, ПЛИС и CPLD имели программируемые пользователем межсоединения. Сегодняшний подход заключается в изготовлении прототипов с помощью ПЛИС, поскольку риск невелик, а функциональность может быть быстро проверена. Для небольших устройств себестоимость производства достаточно низкая. Но для больших ПЛИС производство очень дорогое, энергоемкое и во многих случаях не достигает необходимой скорости. Чтобы решить эти проблемы, несколько компаний ASIC, таких как BaySand, Faraday, Gigoptics и другие, предлагают услуги по преобразованию ПЛИС в ASIC.

В то время как рынок процветал, прибыль в отрасли отсутствовала. Полупроводники пережили ряд рецессий в 1980-х годах, которые создали цикл подъемов и спадов. За общими рецессиями 1980 и 1981–1982 годов последовали высокие процентные ставки, которые ограничили капитальные расходы. Это снижение нанесло ущерб полупроводниковому бизнесу, который в то время сильно зависел от капитальных расходов. Производители, отчаянно пытавшиеся заполнить свои фабрики и позволить себе постоянную модернизацию в быстро развивающейся отрасли, стали гиперконкурентными. Множество новых участников рынка снизили цены на вентильные матрицы до предельных издержек производителей кремния. Компании без собственных производственных мощностей, такие как LSI Logic и CDI, выживали за счет продажи услуг по проектированию и машинного времени, а не за счет производственных доходов. ^[8]

В начале 21-го века рынок вентильных матриц представлял собой остаток своего прежнего состояния, обусловленный преобразованиями ПЛИС, выполненными по соображениям стоимости или производительности. IMI перешла от вентильных матриц к схемам со смешанными сигналами и была позже приобретена Cypress Semiconductor в 2001 году; CDI закрылась в 1989 году; а LSI Logic покинула рынок в пользу стандартных продуктов и в конечном итоге была приобретена Broadcom. ^[21]

В этом разделе не указаны источники . Помогите улучшить этот раздел , добавив ссылки на надежные источники . Материалы без ссылок могут быть оспорены и удалены . ( Апрель 2023 г. ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Матрица вентилей — это готовый кремниевый чип, в котором большинство транзисторов не имеют заранее определенной функции. Эти транзисторы могут быть соединены металлическими слоями для формирования стандартных логических вентилей NAND или NOR . Затем эти логические вентили могут быть дополнительно соединены в полную схему на тех же или более поздних металлических слоях. Создание схемы с указанной функцией достигается путем добавления этого последнего слоя или слоев металлических соединений к чипу на поздних этапах производственного процесса, что позволяет настраивать функцию чипа по желанию. Эти слои аналогичны медным слоям печатной платы .

Самые ранние вентильные матрицы состояли из биполярных транзисторов , обычно сконфигурированных как высокопроизводительная транзисторно-транзисторная логика , эмиттерно-связанная логика или логика токового режима . Позднее были разработаны вентильные матрицы КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник ), которые стали доминировать в отрасли.

Мастер-срезы вентильных матриц с незаконченными чипами, размещенными на пластине, обычно изготавливаются заранее и складируются в больших количествах независимо от заказов клиентов. Проектирование и изготовление в соответствии с индивидуальными спецификациями клиента могут быть завершены за более короткое время, чем стандартная ячейка или полностью индивидуальный дизайн. Подход с вентильной матрицей снижает единовременные затраты на инженерные маски , поскольку требуется производить меньше индивидуальных масок. Кроме того, сокращаются время и затраты на испытательный инструментарий производства — для всех продуктов вентильных матриц, изготовленных на кристалле того же размера , можно использовать одни и те же испытательные приспособления . Вентильные матрицы были предшественниками более сложных структурированных ASIC ; в отличие от вентильных матриц, структурированные ASIC, как правило, включают в себя предопределенные или настраиваемые запоминающие устройства и/или аналоговые блоки.

Схема приложения должна быть построена на вентильной матрице, которая имеет достаточно вентилей, проводов и контактов ввода-вывода. Поскольку требования различаются, вентильные матрицы обычно поставляются в семействах, причем более крупные элементы имеют больше всех ресурсов, но, соответственно, и более дорогие. Хотя проектировщик может довольно легко подсчитать, сколько вентилей и контактов ввода-вывода необходимо, количество необходимых дорожек маршрутизации может значительно различаться даже среди конструкций с одинаковым количеством логики. (Например, для перекрестного переключателя требуется гораздо больше маршрутизации, чем для систолического массива с тем же количеством вентилей.) Поскольку неиспользуемые дорожки маршрутизации увеличивают стоимость (и снижают производительность) детали, не обеспечивая никаких преимуществ, производители вентильных матриц стараются обеспечить ровно столько дорожек, чтобы можно было развести большинство конструкций, которые подойдут с точки зрения вентилей и контактов ввода-вывода. Это определяется оценками, такими как те, которые получены из правила Рента , или экспериментами с существующими конструкциями.

Главными недостатками вентильных матриц являются их несколько меньшая плотность и производительность по сравнению с другими подходами к проектированию ASIC. Однако этот стиль часто является жизнеспособным подходом для небольших объемов производства.

Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, дополнив его. ( Июнь 2022 )

Вентильно-вычислительные матрицы широко применялись в домашних компьютерах в начале и середине 1980-х годов, в том числе в ZX81 , ZX Spectrum , BBC Micro , Acorn Electron , Advance 86 и Commodore Amiga .

В 1980-х годах процессоры Forth Novix N4016 и HP 3000 Series 37, обе стековые машины были реализованы с помощью вентильных матриц, как и некоторые функции графического терминала. ^{[22] [23]} Некоторое вспомогательное оборудование, по крайней мере, в 1990-х годах на серверах DEC и HP было реализовано с помощью вентильных матриц. ^{[24] [25]}

Книги данных

• Медиафайлы по теме Gate arrays на Wikimedia Commons
• Ширрифф, Кен (март 2024 г.). «Внутри необычного чипа серии 7400, реализованного с помощью вентильной матрицы».