Интеграции микросхем

Важнейшие проблемы современного радиоаппаратострое-ния — надежность, экономичность и стоимость разрабатываемых систем — достаточно успешно разрешаются микроэлектроникой путем интеграции элементов. Наращивание сложности систем постоянно уравновешивается увеличением степени интеграции микроэлектронных цепей, сохраняющих принцип создания узлов и блоков аппаратуры на основе стандартных базовых элементов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и др.). Успешно решается задача перехода от сравнительно простых интегральных узлов со степенью интеграции до 100 элементов в одном корпусе к БИС со степенью интеграции до 105 элементов в одном корпусе.

По степени интеграции элементов микросхемы в отечественной практике предложено характеризовать коэффициентом *•=» где N — число элементов микросхемы: ИС-1 (^"{J и (10<ЛГ<100)— малые интегральные схемы, или МИС; (100
Потребляемая мощность является параметром, зависящим от технологии производства МП БИС, степени интеграции элементов на кристалле и их размещения. Этот параметр влияет на надежность МП и составляет в среднем 1,5 Вт. Минимальная мощность рассеяния у МП, выполняемых по относительно дорогой комплементарной металлоокис-но-полупроводниковой (КМОП) технологии, не превышает 50 мВт.

Ведущую роль в создании рекордных по степени интеграции элементов и компонентов образцов аппаратуры играет разработка принципиально новых технологических процессов, позволяющих реализовать конструкции с минимальными размерами отдельных деталей, вплоть до субмикронных (менее 1 мкм).

Вначале идея интеграции элементов в одной схеме подвергалась справедливой критике. Были вскрыты присущие ей недостатки: параметры каждого отдельного элемента схемы было невозможно оптимизировать; способ соединения элементов схемы не преодолевал трудностей, связанных со сборкой большого количества элементов; выход годных схем, рассчитанный как произведение выхода годных отдельных элементов, должен был теоретически составлять максимум несколько процентов; созданную схему практически было невозможно отремонтировать.

Но практика, как известно, являющаяся критерием истины, довольно быстро доказала жизнеспособность интеграции элементов в полупроводниковых устройствах.

Рассмотрим подробнее новые абсолютные и относительные показатели. Степень интеграции численно равна десятичному логарифму числа элементов, входящих в ИС. Интегральные схемы со степенью интеграции элементов больше третьей называют большими (БИС). Чем выше степень интеграции схемы, тем более компактное РЭС можно создать. В принципе с помощью полупроводниковой технологии можно создать сложное устройство на одной полупроводниковой пластине, что и ожидается к концу 80-х — началу 90-х годов.

Теория регулярных структур—новая прикладная дисциплина, объектом изучения которой являются большие интегральные схемы (БИС) с регулярной структурой (однотипные элементы и стандартные связи). Производство таких БИС, содержащих тысячи элементов на одном кристалле, уже освоила как зарубежная, так и отечественная промышленность. Высокая степень интеграции элементов позволяет заменить схему из нескольких десятков или даже сотен элементов малой степени интеграции (МИС) эквивалентной схемой из нескольких (а иногда и одной) БИС. Благодаря такой возможности повышается надежность, уменьшаются габариты и потребляемая мощность, увеличивается быстродействие проектируемых дискретных устройств (ДУ). Матричные (распространенный тип регулярных структур) БИС включа-ют в современные микропроцессорные комплекты.

Высокий уровень интеграции элементов реальных устройств электрических машин, вентильных преобразователей, линий электропередачи и т. д. обусловливает сложный характер их математи-

Высокий уровень интеграции элементов цепей в едином технологическом цикле изготовления устройств и подсистем, невозможность выделения в них необходимых для выполнения диагностических экспериментов полюсов, ограниченные возможности современных средств измерения и обработки данных ставят перед диагностикой сложные проблемы. При этих условиях в первом приближении, не очень упрощая условие задачи, обычно топологическую структуру диагностируемых цепей, а иногда и некоторые их параметры принимают априори заданными. Для практических задач эти допущения не являются слишком жесткими, так как в большинстве своем именно топологическая структура схем известна как при производстве, так и при эксплуатации соответствующих устройств и систем и в электроэнергетике, и в радиоэлектронике. Возможные

повышение степени интеграции элементов и технологических процессов.

Разработка топологии ИМС напоминает процесс проектирования многослойных печатных плат. Она представляет собой весьма трудоемкую работу и требует от конструктора известного опыта. По мере возрастания степени интеграции микросхем эта разработка все более усложняется и часто занимает несколько месяцев напряженного труда, и что хуже всего, при этом не исключается возможность ошибок. Эти ошибки подчас выясняются только после изготовления микросхем, т. е. после разработки и изготовления дорогостоящей оснастки для технологических процессов.

Описанный способ изготовления БИС позволяет использовать большое число годных схем и получить значительно более высокий выход БИС. Однако метод основан на индивидуальной обработке каждой полупроводниковой подложки, что не может не сказаться на себестоимости готовых БИС. Степень интеграции микросхем, изготовленных методом базовой матрицы соединений, ниже, чем для однокристальных БИС с фиксированными соединениями.

Микропроцессоры третьего поколения построены на биполярных приборах. Они обладают более высоким быстродействием и функциональными возможностями, чем микропроцессоры первых двух поколений. Время суммирования, например, составляет 125...250 не. Поскольку уровень интеграции микросхем на биполярных приборах ниже, эти микропроцессоры реализуются в виде совокупности нескольких однокристальных однотипных ИМС (процессорных секций) на два или четыре разряда. Объединение нескольких процессорных секций под общим микропрограммным управлением позволяет образовать структуры малых, средних и даже больших процессоров.

Соизмеряя функциональную сложность и степень интеграции микросхем, можно придавать блоку различные конструктивные формы — от моноблока до отдельной ИМС.

Поступательное развитие микроэлектроники по пути увеличения степени интеграции микросхем и совершенствования технологии их изготовления привело к появлению микропроцессоров с повышенными быстродействием и разрядностью, например 16-разрядных центральных процессоров серий К588, К1801 и К1810. Основным достоинством серии К.588, выполненной по КМОП-тех-нологии, является минимальное потребление энергии. Серия 1801, выполненная по л-МОП-технологии, характеризуется высокой степенью интеграции в сочетании с повышенным быстродействием. Отличные качества обеспечили достаточно широкое распространение этих серий, особенно в составе законченных микроЭВМ с системой команд, принятой в микроЭВМ типа «Электроника-60». Микропроцессорный комплект серии К1810, выполненный по усовершенствованной //-МОП-технологии, отличается широкой номенклатурой БИС и высоким быстродействием. Этот комплект приобрел большую популярность и на его основе выпускаются разнообразные вычислительные средства от встраиваемых контроллеров до персональных компьютеров [6, 10, 11]. Микропроцессор серии К.1810 является развитием МП серии К580, который достаточно подробно описан в учебной литерату-

§ 3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И УРОВЕНЬ ИНТЕГРАЦИИ МИКРОСХЕМ

§ 3.2. Классификация и уровень интеграции микросхем .... 65

Полупроводниковые приборы и микросхемы непрерывно совершенствуются. Улучшаются их параметры, кроме того, растет степень интеграции микросхем и усложнаются их функции. Ярким примером этой тенденции являются микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Современные микропроцессоры фактически представляют собой ЭВМ на кристалле.

Интегральная микроэлектроника продолжает развиваться в направлении повышения степени интеграции микросхем как за счет увеличения размеров кристалла, так и в основном за счет уменьшения размера элементов ИМС. В современных БИС и СБИС размеры элементов составляют 3—2 мкм. В ближайшем будущем размеры элементов топологии СБИС достигнут 1 мкм. Ведутся исследования по освоению субмикронных размеров. Эти исследования показали, что пределом уменьшения размеров элемента топологии (ширина линий, зазоров между ними и др.) является значение 0,2 мкм. Однако при достижении таких размеров элементов возникнут определенные технологические ограничения.

Цифровая техника применяется для обработки цифровой информации очень давно. Цифровые системы были использованы в первых вычислительных машинах (40-е годы), построенных на электромагнитных реле и электронных лампах. Появление полупроводниковых приборов, а в дальнейшем и интегральных микросхем дало новый толчок развитию цифровой техники. Интегральные микросхемы стали основной технической базой современных электронных вычислительных машин. Непрерывное повышение степени интеграции микросхем позволяет создавать на одном кристалле полупроводника цифровые системы, эквивалентные вычислительным машинам четвертого поколения (на больших и сверхбольших интегральных микросхемах).

• Повышение степени интеграции микросхем и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Интеграция свыше нескольких сотен тысяч элементов (в отдельных случаях и миллионов) на одном