Введение к работе
Актуальность проблемы
Современная технология полупроводниковых микросхем обеспечивает создание изделий электронной техники, объединяющих на одном кристалле более миллиарда транзисторов.
При использовании традиционных методов проектирования для таких ультра-БИС потребуются огромные трудовые и вычислительные ресурсы, а также новые программные средства проектирования и совершенно нереальные финансовые затраты. Задачи проектирования ультра БИС в современных условиях решаются путем использования новой методологии "систем на кристалле" (СНК). "Системы на кристалле" - это метод проектирования микросхем на основе ранее разработанных и многократно используемых сложнофункциональных блоков (СФ-блоков). Причем, моделирование работы СНК осуществляется на основе поведенческих моделей СФ-блоков, описанных на языке высокого уровня. Ключевой элемент новой методологии - это конструктивная совместимость СФ-блоков на кристалле СНК без моделирования их взаимного влияния на вентильном и транзисторном уровнях. Самыми чувствительными к конструктивной реализации и влиянию соседних блоков являются схемы синхронизации информационных потоков в БИС. Практическая реализация новой методологии невозможна без создания универсальных и помехоустойчивых СФ-блоков для синхронизации работы СНК. Проблема создания высокочастотных блоков синхронизации обсуждается в технической литературе как одна из самых актуальных задач современной схемотехники. Для рабочих частот до 100 МГц эффективно используются методы цифрового синтеза сигналов. Для частот выше 2000 МГц применяются средства микроволновой техники. Наиболее сложная ситуация в диапазоне 100-1000 Мгц. Для блоков синхронизации этого диапазона, удовлетворяющих всем требованиям методологии "систем на кристалле", по опубликованным данным, эта проблема полностью не решена.
При проектировании блоков системы синхронизации требуется совместно выполнить ряд важных условий: обеспечить помехоустойчивость устройства и точность выходных параметров в заданных пределах, а также согласовать задержки сигналов и скорости потоков данных в связях между блоками СНК.
Помехоустойчивость можно повысить, используя цифровые методы обработки сигналов. Однако алгоритмы формирования и обработки сигналов очень сложны, а дискретный характер кодов ограничивает уровень точности и скорости их обработки. При выбранном технологическом уровне требуемые в СНК точность и частота синхросигналов не могут быть реализованы только цифровыми методами.
Поэтому перспективным является использование комбинированных методов, в которых ключевые функции реализуются аналоговыми блоками, а все остальные - цифровыми. В современной схемотехнике комбинированные аналого-цифровые устройства синхронизации исследованы недостаточно.
В связи с вышеизложенным, тема диссертации, посвященная развитию схем синхронизации сложнофункциональных блоков в системах на кристалле, является важной и актуальной.
Цели и задачи диссертации.
Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования блоков синхронизации для СНК, работающих в диапазоне частот 100-1000 МГц, обладающих требуемой точностью параметров и высокой помехоустойчивостью, а также комплекса технических решений, реализуемых по технологии упыра-БИС.
Для достижения поставленных целей в диссертации решены следующие задачи:
-
Проведены теоретические и экспериментальные исследования помех и искажений сигналов в блоках синхронизации для субмикронных КМОПБИС.
-
Предложен способ объединения схем синхронизации для СНК в универсальные базовые модули.
-
Разработан новый маршрут моделирования высокочастотных блоков синхронизации БИС, обеспечивающий достижение высокой точности моделирования при умеренных затратах времени и вычислительных ресурсов.
-
Разработан комплекс технических решений на уровне изобретений, обеспечивающих создание схем синхронизации БИС в соответствии с методологией СНК. Выполнена патентная защита новых технических решений.
-
Подготовлены рекомендации по проектированию на основе количественных оценок параметров базовых модулей синхронизации.
6. Эффективность маршрута проектирования и новых технических решений показана на примерах разработки реальных "систем на кристалле".
Научная новизна полученных результатов
-
Разработан новый эффективный маршрут проектирования высокочастотных блоков синхронизации БИС, обеспечивающий максимально достижимую точность моделирования при многократном сокращении времени расчетов и требуемых вычислительных ресурсов, и включающий три уровня детализации модели блока синхронизации: уровень поведенческого описания всех узлов блока; уровень смешанного транзисторно-вентильного моделирования; уровень точного транзисторного моделирования с учетом емкостей линий связи, сопротивлений шин питания, индуктивностей выводов корпуса и элементов на плате;
-
Предложена модульная организация подсистемы синхронизации СНК. Определены структура и состав универсальных базовых модулей подсистемы синхронизации:
модуль формирования опорного синхросигнала и сигналов
инициализации системы;
модуль синтеза высокочастотных синхросигналов;
модуль синхронизации входного потока данных;
модуль формирования выходного потока данных;
3. Предложены методы функциональной и схемотехнической
организации для базовых модулей подсистемы синхронизации СНК на
примере: цифрового синтезатора высокочастотных синхросигналов,
управляемого многофазного кольцевого генератора синхросигналов с
элементами подавления неосновных колебаний, адаптивного драйвера
сигнальной линии, обеспечивающего постоянную задержку сигнала в
линии при изменении нагрузочной емкости более чем в 100 раз;
Новизна технических решений подтверждена при проведении экспертизы заявок на изобретения.
Практическая значимость результатов работы:
1, Выявлены и исследованы на тестовых кристаллах и путем моделирования основные причины искажений синхросигналов в базовых модулях подсистемы синхронизации СНК. Разработаны рекомендации по исключению искажений.
-
Получены практические оценки основных параметров модулей синхронизации для СНК на основе КМОП технологии с проектными нормами 0.25 мкм.
-
Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда новых изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Результаты практических разработок отражены в Актах внедрения
-
Патенты и заявки на изобретения обеспечивают патентную защиту новых изделий электронной техники.
-
Результаты диссертации используются в учебных программах по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана и по курсу "Проектирование систем на кристалле" в Институте проектирования приборов и систем при Московском государственном институте электронной техники.
Методика исследований и достоверность результатов:
Разработанные в диссертации методы проектирования основаны на теории цифровых автоматов и теории дискретных систем синхронизации.
Для решения поставленных задач использованы методы компьютерного моделирования, макетирования схем синхронизации в составе тестовых кристаллов и их экспериментального исследования.
Разработанные методы проектирования требуют использования распространенных программ моделирования и персональных компьютеров.
Достоверность полученных теоретических результатов и разработанных моделей обусловлена их согласием с известными положениями физики полупроводниковых приборов и теории электрических цепей, а также подтверждается экспериментальными исследованиями. Достоверность новых схемотехнических решений подтверждена при проведении экспертизы заявок на изобретения. Адекватность использованных моделей элементов подтверждена их применением на предприятиях электронной промышленности при разработке новых изделий. Возможность применения рекомендаций по проектированию подтверждена их успешным использованием при разработке новых изделий электронной техники. Внедрение результатов работы:
Основные результаты диссертации в полном объеме использованы в ООО "Юник Аи Сиз", г. Москва, при выполнении ОКР по разработке
трех новых изделий электронной техники. Методика моделирования высокочастотных блоков синхронизации использована в НИР при проектировании микросхемы рентгеновского сенсора в НИИ Физических Проблем им. Ф. В. Лукина (г. Москва). Основные принципы построения блоков синхронизации в СНК включены в учебные планы по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в МГТУ им. Баумана и по курсу "Проектирование систем на кристалле" в Институте проектирования приборов и систем при МГЙЭТ.
Эффективность предложенных технических решений подтверждена при их внедрении в изделия электронной техники, разработанные в ООО "Юник Аи Сиз":
а) Приемопередатчик универсальной последовательной шины для связи
между компьютером и периферийными устройствами (интерфейса
USB версии 2.0);
б) Однокристальный проигрыватель сжатых аудиофайлов (трЗ- плейер);
в) Аналого-цифровой преобразователь в аналоговом интерфейсе для
жидкокристаллических мониторов и телевизоров.
Положения, выносимые на защиту:
1. Последовательная детализация модели при Проектировании модулей
синхронизации СНК обеспечивающая достижение высокой точности
моделирования при умеренных затратах времени и вычислительных
ресурсов, и включающая три этапа: расчеты с использованием
поведенческих моделей для всех узлов модуля; смешанное транзисторно-
вентильное моделирование; точные расчеты на транзисторном уровне с
учетом влияния элементов конструкции СНК, включая расчеты для
цифровых модулей, если в них используются адаптивные алгоритмы
настройки.
-
Комплекс новых технических решений, направленных на замену аналоговых узлов базовых модулей цифровыми с использованием цифровых адаптивных алгоритмов, применение которых позволяет легко изменять базовые модули подсистемы синхронизации СНК для каждого конкретного проекта.
-
Структура управления синхрогенератором с использованием двух независимых контуров воздействия и блока выбора режима, а также новые технические решения для построения модуля универсального синтезатора синхросигналов обеспечивают минимальное время захвата и низкий уровень фазовых шумов синхрогенератора с петлей ФАПЧ.
-
Новая структура многофазного кольцевого генератора, управляемого цифровым кодом и формирующего более двух фаз выходной частоты, в которой подавление неосновных колебаний достигается введением дополнительных гистерезисных элементов.
-
Новый алгоритм автоматического изменения нагрузочной способности выходного каскада и практическая схема цифрового адаптивного драйвера сигнальной линии, обеспечивающие постоянную задержку сигнала в линии.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:
-
Межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика - 98", Москва, Зеленоград, 1998 г.
-
XLVII научная конференция Московского физико-технического института, Московская область, Долгопрудный, 2004 г.
Публикации:
Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях и 3 тезисах докладов на научных конференциях. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения и полезные модели и 7 заявками на изобретения.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем работы составляет 120 страниц.
