Введение к работе
Дктуалі^ность проблемы. Постоянное развитое средств ыычис-лительной техники и средств управления, ужесточение требований к их технн: ческим параметрам определяют необходимость создания элементной базы, характеризующейся предельной плотностью компоновки, сверхмалой мощностью, высоким быстродействием и возможностью трехмерной реализации как элементов так и усгройств ЭВМ.Определяющим фактором развития вычислительной техники и средств управления яатястся элементная база, которая за несколько десятилетий своего существования качественно менялась неоднократно. Основными тенденциями развития микроэлектронной элементной базы являются: уменьшение геометрических размеров компонентов, уменьшение потребляемой мощности, интеллектуализация интегральных схем, поиск оптимальных базовых элементов и т.д.
Большое количество работ посвящено проблемам дальнейшего совершенствования микроэлектронной элементной базы. Несмотря на появление функционально-интегрированных элементов (ФИЭ), транзистсрная схемотехника п шггегральных схемах по-прежнему остается доминирующей. Структуры эле-меіггов от общего объема полупроводника занимают очень незначительную часть. Даже в так называемых трехмерных интегральных схемах (ТМИС) технология остается послойио-планарной, а схемотехника - транзисторной.Это связано с ограниченными пока технологическими и схемотехническими возможностями, в результате чего комбинационные схемы и схемы памяти, даже формируемые в активных слоях трехмерных интегральных схем имеют информационную плотность ниже теоретически возможной.
По мнению специалистов, в ближайшие годы сверхбольшие интегральные транзисторные схемы достигнут предела минимизации, а дальнейшее увеличение плотности компоновки будет зависеть от использования вертикальной интеграции. В нескольких активных слоях представляющих собой интегральные функциональные устройства, чередующихся с пассивными слоями, которые выполняют функции изоляции и теплоствода, информация в виде сигналов различного типа ( напряжения, тока, света ) передается как внутри одного активного слоя, так и между различными активными слоями.
Трехмерные или скорее многеслойкые кігкгррльнь/е схемы обладают высоким быстродействием, высокой плотностью компоновки, возможностью параллельной обработки сигнхчов, многофункциональностью. Их проблемами являются:
технология изготовления, связзнная с созданием вертикальных проводящих каналов и сложной топологией поверхности активных слоев,
паразитные наводки сигналов между активными слоями из-за большого числа соединений,
большая потребляемая мощность и необходимость охлаждеїшя кристалла интегральной схемы.
Схемотехника активных слоея ТМИС по-нрежнему остается транзисторной. В течение последних десятилетий проводились исследования и разработка элементов интегральных схем, представляющих собой функционально-
интегрированные элементы. Tax, например, инвертор с инжекционным питанием, состоящий всего из 3 р-п переходов, а выполняющий функции двух транзисторов, обладает принципиально лучшими, чем у транзисторных аналогов техническими параметрами, такими как произведение мощность на задержку и плотность компоновки.
Появление подобных элементов и компьютерные исследования в области синтеза продемонстрировали неоптимальность транзисторной схемотехники.
В работе также показана избыточность транзисторной схемотехники, схемы которой содержат лишние полупроводниковые области и межсоединения, не идущие на реализацию логических и специальных функций, а также функций записи, хранения и передачи информации.
Это есть следствие того, что простейший "неделимый" компонент транзисторной схемотехники - транзистор по сути является схемой, состоящей из более простых с точки зрения интегральной структуры элементов другой схемотехники, наиболее приспособленной для синтеза новых оптимальных интегральных структур.
Поэтому возникла необходимость в теории, способной создавать новые функционально-интегрированные элементы в качестве базовых элементов для трехмерных интегральных схем.
Обзор исследований в области синтеза базовых элементов иНТсГРаЛЬНЫХ .схем- Результаты анализа наиболее известных работ в области синтеза оптимальных элементов ЭВМ, сведены в таблицу 1. Основной недостаток большинства работ - это различные ограничения, накладываемые авторами на классы рассматриваемых схем. Синтез как правило осуществляется в рамках какого-либо одного схемотехнического базиса (биполярные схемы, МОП-схемы и т.п.).
Работы некоторых авторов не ориентированы:
на переход к функционально-интегрированным элементам,
на возможность использования новых схемотехнических решений в построении трехмерных схем, что резко обедняет методы синтеза с точки зрения будущих технологий. У всех отечественных авторов компонентом синтеза является подсхема или транзистор.
Отечественные авторы не имеют завершенных систем автоматизированного проектирования элементов, синтеэироватшх по их концепции, т.к. результатом синтеза являются транзисторные схемы, реализуемые по стандартным технологиям, для которых САПР ИС уже существуют.
Зарубежные же системы уделяют основное внимание проблемам создания качественных пользовательских интерфейсов, позволяющих выполнять моделирование и оптимизацию базовых полупроводниковых структур, но не имеющих блока синтеза новых структур, в том числе и трехмерных ФИЭ.
Так как теории, учитывающей проблемы, особенности и тенденции развития новой элементной базы компьютеров, связанной с синтезом структур базовых элементов для трехмерных интегральных схем, нет, была выполнена данная работа. Работа выполнена в соответствии с госбюджетной НИР "Исследование и разработка цифровых и аналоговых функционально-интегрированных элементов в пленарной и трехмерной реализации" и является составной частью одного из научных направлений Московского
Сравнительный анализ методов синтеза базових элементов «:гтегралып« схем.
Таблица 1.
іхкударственного института электроники и математики: "Физическая электро-ч.іка, материалы, технология и оборудование электронной техники". Целью работы является:
- комплексное развитие теории синтеза и разработка методов проектиро-
ання оптимальных структур планарных и трехмерных ФИЭ для создания
микросхем нового поколения.
Для достижения цели в работе решены следующие
задачи;
- < разработка общей концепции синтеза структуры фуикиионально-
штгегрированного элемента как совокупности связанных полупроводниковых,
диэлектрических, металлических и других областей с различными электрофи
зическими свойствами,
-разработка методики структурного синтеза функционально-интегрированных элементов в планарной и трехмерной реализации, основанной на сформулированной концепции, включающей синтез математической модели ФИЭ, генерацию физической структуры, моделирование на уровне физической структуры, эквивалентной схемы и отбор элементов по заданным критериям,
разработка методов и алгоритмов синтеза математических моделей и генерации физической структуры цифровых и аналоговых планарных и трехмерных ФИЭ,
разработка структуры системы автоматизированного проектирования функционально-интегрированного элементов в планарной и трехмерной реализации,
применение разработанной методики и средств САПР для генерации новых планарных и трехмерных физических структур ФИЭ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые решена задача автоматизированного синтеза планарных и трехмерных физических структур ФИЭ с заданными электрическими характеристиками и параметрами.
Выносятся на зашиту с. де дующие новые—И а -..
учные результаты;
концепция, на которой основано решение общей задачи синтеза физической структуры функционально-интегрированного элемента как в планарной, так и в трехмерной реализации,
методика структурного синтеза, представляющая взаимосвязашгую сово купность решения задач синтеза математических моделей ФИЭ, генерации фи зической структуры, моделирования физической структуры и ее эквивалентов схемы, выбор работоспособного элемента,
аналитический метод синтеза математических моделей ФИЭ и блоко ЭВМ (регистров памяти, арифметико-логических устройств, счетчиков, гене раторов чисел, шифраторов, и т.д.) в виде графов и таблиц, позволяющий из бежать процедуры перебора, требующей больших временных затрат,
компьютерный метод синтеза математической модели ФИЭ, исполі зующий бионический принцип наращивания, позволяющий резко повысш эффективность направленного перебора возможны* решений,
метод генерации физической структуры ФИЭ по его графовой математической модели,
совокупность графовых математических моделей ФИЭ различной сложности, с помощью которых возможно предсказывать появление новых трехмерных элементов БИС,
возможность синтеза физической структуры аналоговых и сенсорных ФИЭ.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании:
сквозной САПР ФИЭ, реализующей маршрут синтез математической модели, генерация физических структур, анализ на уровне электрической схемы и физической структуры, выбор работоспособных вариантов - работа с параметрической и структурной базами данных,
новых конструкций плангркых я трехмерных ФНЭ с биполярной, И'Л, Би-МОП, МОП/КНС структурой, защищенных авторскими свидетельствами и патентом, которые по сравнению с аналогами имеют большую степень интеграции п меньшую потребляемую мощность.
Лпррраиип,
Реализация результатов исследований. Теоретические и практические результаты диссертации использованы: І) в рамках совместных НИР, проводимых на АО НПО "Сапфир" (г.Москва) 1992-199S г.г.:
при разработке оптимальных конструкций КМОП БИС со структурой КНС/КНИ,
при разработке серии логических элементов ТТЛ/ И>Л в плзнарной реализации со структурой КНС/КНИ,
разработанная САПР ФИЭ включена в САП? БИС предприятия.
2) В рамках совместных НИР в п/я Г-4783 (г. С.-Петербург) 1974-1975
г.г., п/я Г-45І5 (г. Москва) 1977 г. внедрена:
- методика проектирования логических БИС с улучшенными параметра
ми (время проектирования, произведение мощность на задержку, минималь
ный разброс задержек на выходах БИС).
-
Отдельные программы моделирования САПР ФИЭ использовались для решения частных задач а рамках совместных НИР с НИИ "Пульсзр" в 1994-1995 г.г. при создании элементной базы мощных "интеллектуальных" ИС на структурах ДМОП и IGBT с функциональной интеграцией рабочих областей приборов.
-
Материалы диссертации используются в учебном процессе в Московском государственном инеппуте ачектроннки и математики в курсе "Схемотехника ЭВМ", курсовом и дипломном проектировании.
Выступления. Основные положения, научные и экспериментальные результаты докладывались и обсуядались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: YIII Всесоюзном совещании-семинаре: Теория, методы и программные комплексы автоматизации проектирования современных элементов ЭВМ и ПЭВМ" (Гурзуф, І980У, XII Всесоюзном совещании-семинаре "Автоматизация проектирования микропроцессоров, микропроцессорных систем и СБИС" (Гурзуф, 1984), X Всесоюзном совещании-семинаре
"Автоматизация проектирования структурных элементов математического обеспечения ЭВМ и вычислительных систем", Гурзуф, 1982, Республиканской конференции "Математическое моделирование полупроводниковых приборов" (Рига, 1986,1988), научно-технической конференции "Пути и перспективы развития автоматизации проектирования быстродействующих ЭВМ" (Ленинград, 1977), научно-технической конференции "Автоматизированное техническое проектирование электронной аппаратуры" (Вильнюс, 1979), научно-технической конференции "Автоматизация конструкторского проектирования РЭА и* ЭВА" (Пенза, 1979), Первой конференции социалистических стран по проблемам образования в области микроэлектроники (Будапешт, 1985), научно-технической конференции "Микропроцессорные системы управлення технологическими процессами в гибких автоматизированных производствах" (Москва, 1985), научно-технической конференции "Применение микропроцессорных средств и роботизации в городском хозяйстве" (Москва, 1985), XY Всесоюзном совещании-семинаре "Методы и средства САПР и ГАП микроэлектроники. Пути развития и внедрения" (Симферополь, 1987), Всесоюзном совещании "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах" (Паланга, 1987), Первой Всесоюзной конференции "Физические и физико-химические основы микроэлектроники" (Вильнюс, 1987), Второй Международной конференции социалистических стран "Обучение в микроэлектронике" (Варшава, 1987), 16-ой Югославской международной конференции MIEL-88 (Югославия, 1988), Всесоюзном совещании "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ярославль, 1988), YI научно-технической конференции с международным участием "Мнкроэлектроника-88" (Ботевград, НРБ, I9S8), 6-м международном совещании "Микроэлектроннка-88" (Дрезден, ГДР.1988), 17-ой Югославской международной конференции MIEL-89 (СФРЮ, 1989), IX международной конференции КОМПКОНТРОЛ "Применение ЭВМ в технике и управлении производством" (Братислава, ЧССР, 1989), Всесоюзной конференции "Микропроцессорные средства локальной автоматики" (Гродно, 1989), YH национхчышй научно-технической конференции с международным участием "Микроэлектроника-90", (Варна, НРБ, 1990), Всероссийской научно-технической конференции "Датчик-93" (Гурзуф, 1993), Всероссийской научно-технической конференции "Датчнк-94" (Гурзуф, 1994).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 научные работы в центральных и республиканских изданиях, а также изданиях, соответствующих перечням издательств и издающих организаций, в которых могут публиковаться основные научные результаты, включаемые в докторские диссертации. Среди опубликованных работ монографии "Логические элементы статических БИС" и "Машинное моделирование функционально-интегрированных элементов ЭВМ", выпущенные издательством Московского института электронного машиностроения соответственно в 1987 и 1989 годах, 3 авторских свидетельства на изобретения, заявка на изобретение, получившая положительное решение на вьщачу патеїгта. Основное содержание работы достаточно полно наложено в публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
