книги / Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах
..pdf
Б Б К 32.844 К24
УДК 621.3.049.77
Кармазинский А. Н.
К24 Синтез принципиальных схем цифровых эле ментов на МДП-транзисторах. — М.: Радио и связь, 1983. — 256 с., ил.
В пер.: 1 р.
Излагаются, методы, алгоритмы, технические и эвристические при емы синтеза принципиальных схем цифровых элементов. Методы по зволяют по заданной функции синтезировать и оптимизировать схе мотехнические решения по быстродействию, занимаемой площади, чи слу транзисторов и т. л., они применимы как к комбинационным эле ментам, так и к элементам с обратными связями. Приведены приме ры синтеза логических, входных, выходных и многофункциональных элементов.
Для инженерно-технических работников, проектирующих цифро вые устройства н микросхемы, а также для студентов, специализиру ющихся в области электроники, вычислительной техники, автоматиза ции схемотехнического проектирования.
К |
2 4 0 3 0 0 0 0 0 0 - 2 0 0_ _ _ _ |
Б Б К 3 2 .8 4 4 |
|
0 4 6 (0 1 ) - 8 3 |
2 7 - 8 3 |
6 Ф |
|
Р е ц е н зен т ы : д-р.техн. наук, проф. Б. Н. ФАЙЗУЛЛЕВ, канд. техн. наук Б. М. МАНСУРОВ
Редакция литературы по кибернетике и вычислительной технике
© Издательство «Радио и связь», 1983
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современный период развития электроники характери зуется переходом от больших (БИС) к сверхбольшим (СБИС) интегральным микросхемам, которым присущи не только количественные изменения, связанные с увеличе нием числа элементов на кристалле, уменьшением кон структивно-технологических проектных норм (КТПН), ра бочих токов и напряжений, повышением быстродействия и т, д . , но и качественные изменения. Последние обусловле ны ростом сложности схем: каждая СБИС является слож ной системой на кристалле, ее конструкция представляет собой совокупность структур разногабаритных устройств с определенной топологией и множеством трасс соединений. Создание СБИС становится технологическим процессом, не возможным без использования, разветвленной системы авто матизированного проектирования.
При создании СБИС главным направлением станет син тез технических решений на всех стадиях проектирования в отличие от анализа, моделирования и .контроля, которые развились при создании БИС. Только направленный син тез обеспечит генерацию множества технических решений и отбор оптимальных при конкретных условиях, позволит сделать процесс проектированияинвариантным к измене нию технологии, КТПН, к схемотехнике, структуре и функ циям проектируемого устройства; позволит уменьшить число ошибок, вносимых разработчиком, и в пределе све сти ошибки только к случайным, обусловленным сбоем обо рудования. При этом максимально используются творче ские способности разработчиков на всех, стадиях проекти рования. Автоматизация синтеза. Позволит обеспечить вы сокое качество проектирования Яри р'осте’степени интегра ции.
Таким образом, работы,'направленные на развитие тео рии и создание средств синтеза решений на любой стадии проектирования, с нашей точки зрения, актуальны. Интерес к методам синтеза на всех этапах проектирования микросхем постоянно велик. Разработчик хочет иметь средства, которые позволили бы ему максимально использовать творческие спо-
собности при минимальных технических затратах, чтобы получить высококачественные решения задач при мини мальном числе итераций.
Проект микросхемы — это совокупность функциональ но-логической и принципиальной схем, геометрических раз меров всех элементов и компонентов и координат угловых точек структурных областей топологии схемы. На каждом этапе возможен синтез решений, который существенно уве личивает их число и ускоряет процесс проектирования. Синтез структуры цифрового устройства, его функциональ ной схемы или алгоритма работы позволяет комбинировать и Сравнивать между собой различные архитектуры и функ ционально-логические решения, формировать временные диаграммы, оптимизировать обобщенные показатели и предъявлять обоснованные требования к техническим ха рактеристикам элементной базы. Синтез принципиальных схем позволяет генерировать множество схемотехнических решений, оптимальных по структуре и электрическим ха рактеристикам. Синтез параметров компонентов позволяет оптимизировать электрические характеристики и обоснован но формулировать техническое задание для проектирования топологии. Синтез топологии по принципиальной схеме обеспечит ее бездефектность, исключит необходимость конт роля топологии на соблюдение КТПН и соответствие прин ципиальной схеме.
Общие достоинства методов синтеза состоят в том, что они позволяют выявить множество решений, создавать тех нические решения, оптимальные в данных конкретных ус ловиях, соединять воедино решения, выбираемые на разных этапах проектирования, улучшать совокупные показатели качества устройств, устанавливать закономерности и на правления развития и совершенствования объектов проек тирования, формализовать, автоматизировать и алгоритми зировать применение эвристических приемов в процессе проектирования.
Разработчики микросхем стремительно усложняют циф ровые устройства. Проектирование ИС, СИС, БИС ведется на основе традиционных логических базисов И—НЕ, ИЛИ—НЕ и универсальных базисов И—ИЛИ— —НЕ, ИЛИ—И ... —НЕ. Возможности микроэлектроники поз воляют существенно расширить традиционный базис, со здавать устройства, реализующие любую функцию от за данного числа переменных в виде одного каскада, что чаще всего эффективнее моделирования той же функции в тради ционных базисах. Пакет изобретений в области схемотех-'
ники, отражающий новые эвристические находки в совер шенствовании электронных устройств, постоянно растет. Однако в практике проектирования используется лишь нич тожная их доля. Разработчики цифровых систем мыслят теперь категориями сложных структур: СИС, БИС, макрофункций, макроэлементов, макроопераций, забывая о том, что для их. интегральной реализации необходимо тщатель но.и детально спроектировать каждый транзистор, каждый элемент, используя для совершенствования электрических характеристик все резервы, которые имеются в схемотех нике, конструировании топологии и технологии.
Главные цели при совершенстовании схемотехники: рост быстродействия, уменьшение площади, занимаемой на кристалле, потребляемой мощности, числа транзисторов для реализации заданной функции. Тех же целей можно до биться, совершенствуя технологию, в частности уменьшая КТПН. Например, в МДП-схемотехнике имеется прямая связь между ростом быстродействия элементов и длиной канала транзистора L„: уменьшение длины канала ведет к росту быстродействия. Если считать, что L K соответствует средним значениям КТПН, то зависимость изменения дли ны канала в процессе совершенствования технологии будет иметь зид, представленный на рис. П.1 (кривые /, 2). Как показывает опыт, совершенствование только схемотехниче ских решений (кривые 3, 4) по сравнению с традиционными без изменения технологии позволяет повысить быстродейст вие логических элементов в 2—3 раза, что соответствует уменьшению КТПН в среднем в 1,5 раза. Как следует из рис. П.1, использование более эффективных схемотехниче ских решений по сравнению с традиционными позволяет достигнуть быстродействия, соответствующего новым КТПН, на два-три года раньше, чем этого можно ожидать при со вершенствовании технологии.
Одним из путей совершенствования схемотехники явля ется синтез принципиальных схем. Принципиальной схе мой цифрового устройства будем называть графическое изо бражение в виде соединения условных обозначений электро радиоэлементов: резисторов, диодов, транзисторов и т. д. Функционально-логической схемой будем называть графи ческое изображение в виде соединения условных обозначе ний логических элементов, цифровых автоматов, а также СИС и БИС.
Можно ли однозначно утверждать, что существуют аб солютно лучшие схемотехнические решения? Видимо, нет. Электрические параметры схем зависят от многих факто-
б
ров. Однако при заданном схемотехническом базисе (напри мер, комплементарные МДП-транзисторы), заданной тех нологии изготовления, допустимых КТПН, напряжении питания, площади, занимаемой на кристалле, выполняемой логической функции схемотехнические решения можно срав нивать, например, по быстродействию (рис. П.2). Каждый элемент характеризуется собственным быстродействием то,- и эквивалентным выходным сопротивлением # экв/ при,про чих равных условиях. Общее время задержки элемента
^здi = ^?энвгОц
линейно зависит от емкости нагрузки: Как видно из рисун
ка, первый элемент имеет |
большее быстродействие при |
|
Сн <С Сно, |
а второй при С„ > |
С„о. Следовательно, емкость |
нагрузки |
определяет области наиболее целесообразного ис |
|
пользования каждого схемотехнического решения. Если одна и та же функция имеет множество схемотехнических решений, существуют дополнительные факторы, которые могут повлиять на применение той или иной схемы: число входных сигналов, наличие прямых и инверсных управляю щих сигналов, число транзисторов в схеме, топология эле мента и т. д. Таким образом, можно сделать вывод о том, что нецелесообразно ограничивать схемотехнику цифровых эле ментов только типовыми рёшениями.
Методы синтеза можно применять и для анализа схемо технических решений, представленных в патентах, автор ских свидетельствах, заявках на изобретения, с целью выявления под
линных |
новаторских |
Ьд |
|
Рис. П.1. Изменение длины канала МДП-транзисторов в процессе совер шенствования технологии:
1 , 3 — для БИС, находящихся в производ стве; 2, 4 — экспериментальные "лаборатор ные достижения
ст сн
Рис. П.2. Зависимость за держки переключения логи ческих элементов (КМДПсхемы), выполняющих оди наковую функцию (при раз ных принципиальных схе мах), от емкости нагрузки
идей, их формализации и использования для совершен ствования принципиальных.схем.
Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах — лишь отдельный вопрос, который решается на пути создания теории и развития практики син теза микросхем. Очевидно, объединив функционально-ло гический синтез со схемотехническим и топологическим, можно получить такие технические решения, которые будут «глобально» оптимальными. Это позволит открыть множест во новых функционально интегрированных структур, что может в корне изменить процесс проектирования микросис тем.
В книге рассмотрены теоретические основы синтеза и оп тимизации по схемотехническим критериям принципиальных схем логических элементов и схем- с обратными связями (гл. 1, 2). Практические примеры и инженерные приемы при синтезе логических схем, входных и выходных элементов рассмотрены в гл. 3 и 4. Поэтому читатели, желающие бы стро получить практические результаты применительно к своим конкретным задачам, могут знакомиться с книгой, на чиная с этих глав. Глава 5, посвященная синтезу многофунк циональных многовыходовых логических схем, с точки зре ния автора, имеет, важное методическое значение: в ней по казано, как можно вводить в процедуру синтеза эвристиче ские приемы.
В настоящее время для заказных, полузаказных и сверх быстродействующих микросхем широко применяется метод проектирования на основе нескоммутированных логических матриц. Этот метод создания элементной базы очень удобен для разработчиков цифровой, аппаратуры. Поэтому в гл. 6 дан обзор проблем, стоящих при создании матричных БИС, и рассмотрены возможности применения методов синтеза принципиальных схем для совершенствования как струк туры ячейки матрицы, так и библиотеки элементов.
К идеям, связанным с синтезом принципиальных схем, автор пришел давно. Эти мысли и идеи развивались под влиянием творческих, дружеских и необыкновенно плодо творных дискуссий в кругу коллег и друзей — молодых спе циалистов, составивших основу Проблемной лаборатории «Микроэлектроника» на кафедре «Электроника» МИФИ. Поэтому автор в первую очередь благодарен им, создателям той неповторимой творческой атмосферы, за высказанные идеи, дружескую критику и поддержку: д-ру техн. наук А. А. Орликовскому, кандидатам техи. наук В. И. Вага нову, Ю. П. Родионову, В. С. Першенкову, В. М. Немчино
ву, В. М. Гусакову. Взгляды автора на проблемы синтеза формировались под влиянием бесед и дискуссий с д-ром техн. наук, проф. А. Г. Алексенко, д-ром техн. наук Е. Л. Глориозовым, д-ром техн. наук И. И. Шагуриным. Автор благодарен д-ру техн. наук, проф. T. М. Агаханяну, д-ру техн. наук В. С. Чунаеву, которые знакомились с отдель ными главами рукописи й высказали свои замечания и пред ложения. Автор выражает искреннюю признательность ре цензентам: д-ру техн. наук, проф. Б. Н. Файзулаеву и канд. техн. наук Б. М. Мансурову за принципиальную и доброжелательную критику, которая способствовала со вершенствованию содержания книги. Подготовка рукописи к печати требует больших усилий, и здесь огромную помощь
автору оказали канд. техн. наук Л. А. Клыгина, канд. техн. наук С. В. Борисова, канд. техн. наук Е. А. Саксонов и H. Н. Саксонова, за что автор им искренне признателен
ГЛАВА 1
Основы синтеза принципиальных схем элементов цифровых устройств на МДП-транзисторах
1.1.Вводные замечания
Внастоящее время разработана и широко используется на практике для функционально-логического проектирова
ния цифровой аппаратуры теория логического |
синтеза |
[1— 171 функциональных схем комбинационного |
типа и |
схем конечных автоматов в типовых логических базисах И—НЕ, ИЛИ—НЕ, И—ИЛИ—НЕ, mod 2 и др. Сущность логического синтеза функциональных схем состоит в пред ставлении сложней логической функции цифрового устрой ства через простые функции логических элементов (ЛЭ), в оптимизации и отборе лучших решений по сформулирован ным критериям (часто такая процедура называется покры тием функции устройства функциями ЛЭ). В результате такого синтеза создается функциональная схема, иллюстри рующая принцип действия цифрового устройства и позво ляющая реализовать его на ЛЭ одного из схемотехниче ских базисов.
В отличие от синтеза функциональных, схем целью син теза принципиальных схем элементов цифровых устройств является генерация спосфбов соединения электрорадиоэле ментов (транзисторов, резисторов, диодов и т. д.‘), обеспе чивающих выполнение заданной логической функции и об ладающих определенными качествами. Сформулированная цель позволяет выделить две основные проблемы: генерации множества схемотехнических решений и их оптимизации по определенным критериям. Синтез носит, направленный (де терминированный) характер, если процедуры оптимизации и генерации объединены.
Сущность синтеза заключается в установлении соот ветствия между функциями, выполняемыми отдельными ком понентами схемы, и способами их соединения, с одной сто роны, и заданной для схемотехнической реализации логиче-
ской функцией — с другой. Последовательное преобразо вание логической функции в расширенную логическую формулу (РЛФ), а затем в схемотехническую формулу (СФ) позволяет реализовать аналитическую и графовую формы представления соединения элементов.
Если известны логические функции отдельных компо нентов и их типовых соединений, то синтез принципиальных схем сводится к покрытию логической функции функциями компонентов. Таким образом устанавливается преемствен ность метода синтеза принципиальных схем и логического синтеза цифровых устройств.
Цель главы—разработать теоретические основы синтеза принципиальных схем элементов цифровых устройств как средства генерации и оптимизации множества (в том числе охраноспособных) схемотехнических решений, обеспечи вающего их эффективность при проектировании ИС.
Особенность разработанного метода синтеза принци пиальных схем [18—27] по сравнению с методами, предло женными А. Г Алексенко [28], Е. Л. Глориозовым [29—32], И. И. Шагуриным [33—36, 108], В. Г Немудровым [107], в том, что он применим к любым компонентам и их соединёниям, создаваемым в рамках интегральной техноло гии, логические функции которых могут быть определены, а также позволяет:
синтезировать принципиальные схемы статических и динамических ЛЭ;
найти множество принципиально различных схемотех нических решений, составляющих канонический набор; вводить в процедуру синтеза эвристические приемы, а такжеанализировать охраноспособные решения для вы
явления отличительных признаков; объединить и автоматизировать синтез схем и их микро
топологии.
При этом основная операция — покрытие логических функций функциями компонентов — аналогична основной операции при логическом синтезе.
U2. Этапы синтеза принципиальных схем
Процедура синтеза включает в себя следующие этапы: выбор номенклатуры компонентов для реализации прин ципиальных схем и определение выполняемых ими логиче
ских функций; определение логических функций типовых соединений
компонентов;
Ю