Pole brány - Gate array

Hradlové pole je přístup k návrhu a výrobě aplikačně specifických integrovaných obvodů (ASIC) s použitím prefabrikované čip s komponenty, které jsou později spojeny do logických zařízení (např NAND brány , klopné obvody , atd.) V souladu s vlastní pořadí přidáním kovových propojovacích vrstev v továrně.

Podobné technologie byly také použity k návrhu a výrobě analogových, analogově digitálních a strukturovaných polí, ale obecně se jim neříká hradlová pole.

Pole brány byla také známá jako nepotvrzená logická pole ( ULA ), která také nabízela funkce lineárního obvodu a částečně vlastní čipy.

Design

Pole brány je prefabrikovaný křemíkový čip, přičemž většina tranzistorů nemá žádnou předem stanovenou funkci. Tyto tranzistory mohou být spojeny kovovými vrstvami za vzniku standardních logických bran NAND nebo NOR . Tyto logické brány pak mohou být dále propojeny do kompletního obvodu na stejných nebo pozdějších kovových vrstvách. Vytvoření obvodu se specifikovanou funkcí se provádí přidáním této konečné vrstvy nebo vrstev kovových propojení na čip pozdě ve výrobním procesu, což umožňuje přizpůsobení funkce čipu podle potřeby. Tyto vrstvy jsou analogické měděným vrstvám desky s plošnými spoji .

Nejdříve hradlová pole tvořen bipolární tranzistory , obvykle nakonfigurovány jako vysoce výkonný TTL , emitor spojený logiky nebo proudovém módu logika logických konfigurací. CMOS (komplementární metaloxid-polovodič ) hradlová pole byla později vyvinuta a začala dominovat průmyslu.

Hlavní řezy pole brány s nedokončenými čipy uspořádanými napříč plátkem jsou obvykle prefabrikáty a skladovány ve velkém množství bez ohledu na objednávky zákazníků. Návrh a výroba podle individuálních specifikací zákazníka může být dokončena v kratším čase než standardní buňka nebo plně vlastní design. Přístup k bránovému poli snižuje náklady na neopakující se technické masky, protože je potřeba vyrábět méně vlastních masek. Kromě toho se zkracuje doba výroby a náklady na zkušební nástroje - stejná zkušební zařízení lze použít pro všechny výrobky řady bran vyráběné na stejné velikosti matrice . Pole brány byla předchůdcem složitější strukturované ASIC ; na rozdíl od hradlových polí strukturované ASIC obvykle obsahují předdefinované nebo konfigurovatelné paměti a/nebo analogové bloky.

Aplikační obvod musí být postaven na hradlovém poli, které má dostatek bran, kabeláže a I/O pinů. Vzhledem k tomu, že se požadavky liší, pole bran obvykle přicházejí v rodinách, přičemž větší členové mají více všech zdrojů, ale příslušně jsou dražší. Zatímco návrhář může poměrně snadno spočítat, kolik bran a I/O pinů je potřeba, počet potřebných směrovacích stop se může značně lišit i mezi designy se stejným množstvím logiky. (Například přepínač příčníku vyžaduje mnohem více směrování než systolické pole se stejným počtem bran.) Protože nepoužívané směrovací tratě zvyšují náklady (a snižují výkon) součásti bez poskytování jakýchkoli výhod, snaží se výrobci hradlových polí poskytnout pouze dostatek stop, aby bylo možné směrovat většinu návrhů, které se budou hodit z hlediska bran a I/O pinů. To je určeno odhady, jako jsou odhady odvozené z Rentova pravidla nebo experimenty s existujícími návrhy.

Hlavní nevýhody hradlových polí jsou jejich poněkud nižší hustota a výkon ve srovnání s jinými přístupy k návrhu ASIC. Tento styl je však často životaschopným přístupem pro nízké objemy výroby.

Dějiny

Rozvoj

Pole brány měla několik souběžných vývojových cest. Společnost Ferranti ve Velké Británii byla průkopníkem v komercializaci bipolární technologie ULA, která do roku 1983 nabízela obvody „100 až 10 000 bran a více“, a poté toto vedení u polovysokých čipů opustila. IBM vyvinula proprietární bipolární mistrovské řezy, které používala při výrobě sálových počítačů na konci 70. a na počátku 80. let, ale nikdy je externě komercionalizovala. Fairchild Semiconductor také na konci šedesátých let krátce koketoval s bipolárními poli logika dioda - tranzistor a logika tranzistor - tranzistor zvaná Micromosaic a Polycell.

Technologie CMOS (komplementární oxid-kov-polovodič ) otevřela dveře široké komercializaci hradlových polí. První pole brány CMOS vyvinul Robert Lipp v roce 1974 pro International Microcircuits, Inc. (IMI), obchod s fotomaskami Sunnyvale, který založili Frank Deverse, Jim Tuttle a Charlie Allen, bývalí zaměstnanci IBM. Tato první produktová řada používala 7,5 mikronovou jednoúrovňovou kovovou technologii CMOS a pohybovala se od 50 do 400 bran . Technologie CAD ( Computer-Aided Design ) v té době byla velmi rudimentární kvůli nízkému dostupnému výpočetnímu výkonu, takže návrh těchto prvních produktů byl jen částečně automatizovaný.

Tento produkt byl průkopníkem několika funkcí, které se staly standardem pro budoucí návrhy. Nejdůležitější byly: přísná organizace n-kanálových a p-kanálových tranzistorů ve 2-3 řadových párech napříč čipem; a spouštění veškerého propojení na sítích spíše než minimální vlastní mezery, které byly do té doby standardem. Tato pozdější inovace připravila cestu k plné automatizaci ve spojení s vývojem dvouvrstvých polí CMOS. Přizpůsobení těchto prvních částí bylo poněkud únavné a náchylné k chybám kvůli nedostatku dobrých softwarových nástrojů. IMI využilo techniky vývoje desky PC, aby se minimalizovalo úsilí o ruční přizpůsobení. Čipy v té době byly navrženy ručním kreslením všech součástí a propojeny na přesných mřížkovaných listech Mylar pomocí barevných tužek k vymezení každé vrstvy zpracování. Rubylithové listy byly poté rozřezány a oloupány, aby se vytvořila (typicky) reprezentace procesní vrstvy v měřítku 200x až 400x. Poté byla fotografie zmenšena, aby byla vytvořena 1x maska. Jako nejnovější technologie právě přicházela spíše digitalizace než rubylitové řezání, ale zpočátku odstraňovala pouze rubínovou fázi; kresby byly ještě manuální a poté „ručně“ digitalizovány. Desky pro PC se mezitím přesunuly z vlastního rubylithu na pásku pro PC pro propojení. IMI vytvořil zvětšení fotografií základních vrstev ve velkém. Pomocí obtisků logických hradlových spojení a PC pásky k propojení těchto bran bylo možné pro tyto relativně malé obvody rychle ručně vyskládat vlastní obvody a pomocí stávajících technologií zmenšit fotografii.

Poté, co vypadl s IMI, Robert Lipp pokračoval v roce 1978 zahájit společnost California Devices, Inc. (CDI) se dvěma tichými partnery, Bernie Aronsonem a Brianem Tighem. Společnost CDI rychle vyvinula produktovou řadu konkurenceschopnou vůči IMI a krátce poté řadu 5 mikronů křemíkových bran s jednou vrstvou s hustotou až 1 200 bran. O několik let později CDI navázalo na „bezkanálová“ hradlová pole, která snižovala blokování řádků způsobená složitější křemíkovou podložkou, která předem zapojila jednotlivá tranzistorová spojení do míst potřebných pro běžné logické funkce, čímž se zjednodušilo propojení kovů první úrovně. . To zvýšilo hustotu třísek o 40%, což výrazně snížilo výrobní náklady.

Obavy z raných polí, pokusy o inovace

Počáteční pole brány měla nízký výkon a byla relativně velká a drahá ve srovnání s nejmodernější technologií n-MOS, která se tehdy používala pro vlastní čipy. Technologie CMOS byla poháněna aplikacemi s velmi nízkým výkonem, jako jsou čipy hodinek a přenosné instrumentace napájené bateriemi, nikoli výkon. Byli také pod výkonem stávající dominantní logické technologie, logické rodiny tranzistorů a tranzistorů. Existovalo však mnoho specializovaných aplikací, kde byly neocenitelné, zejména v oblasti nízkého výkonu, zmenšování velikosti, přenosných a leteckých aplikací a produktů citlivých na čas uvedení na trh. I tato malá pole by mohla nahradit desku plnou logických bran tranzistor - tranzistor, pokud by výkon nebyl problém. Běžnou aplikací byla kombinace několika menších obvodů, které podporovaly větší obvod LSI na desce, láskyplně známé jako „sběr odpadu“. A díky nízkým nákladům na vývoj a vlastní nástroje byla technologie dostupná i pro ty nejskromnější rozpočty. Raná hradlová pole hrála velkou roli v šílenství CB v 70. letech minulého století a byla také prostředkem pro zavedení dalších pozdějších sériově vyráběných produktů, jako jsou modemy a mobilní telefony.

Počátkem osmdesátých let se brány začaly přesouvat ze svých specializovaných aplikací na obecný trh. Několik faktorů v oblasti technologií a trhů se sbližovalo. Velikost a výkon rostly; dozrávala automatizace; technologie se stala „žhavou“, když v roce 1981 IBM představila svůj nový vlajkový mainframe 3081 s CPU zahrnujícím hradlová pole; byly použity ve spotřebním výrobku ZX81; a noví účastníci na trhu zvýšili viditelnost a důvěryhodnost.

V roce 1981 založili LSI Logic Wilfred Corrigan , Bill O'Meara Rob Walker a Mitchell „Mick“ Bohn . Jejich původním záměrem bylo komercializovat logická hradla spojená s emitorem, ale zjistili, že se trh rychle pohybuje směrem k CMOS. Místo toho licencovali linii CMOS silikonové brány CDI jako druhý zdroj. Tento produkt je etabloval na trhu, zatímco oni vyvinuli vlastní patentovanou 5 mikronovou 2vrstvou kovovou řadu. Tato poslední produktová řada byla prvním produktem komerčního hradlového pole, který lze plně automatizovat. LSI vyvinula sadu proprietárních vývojových nástrojů, které uživatelům umožnily navrhnout vlastní čip z vlastního zařízení vzdáleným přihlášením do systému LSI Logic.

Sinclair Research přenesl vylepšený design ZX80 na čip ULA pro ZX81 a později použil ULA v ZX Spectrum . V Rusku byl vyroben kompatibilní čip jako T34VG1. Acorn Computers v BBC Micro používalo několik ULA čipů a později jeden ULA pro Acorn Electron . Mnoho dalších výrobců z období domácího počítačového boomu používalo ULA ve svých strojích. IBM PC převzal velkou část osobního počítače trhu a objem prodeje vyrobeny full-zakázkové čipy úspornější. Série Amiga společnosti Commodore používala pro vlastní čipy Gary a Gayle hradlová pole, jak mohou napovídat jejich kódové názvy.

Výložník

Zatímco trh rostl, zisky pro toto odvětví chyběly. Polovodiče prošly v 80. letech řadou valivých recesí, které vytvořily cyklus boom-bust. Po všeobecných recesích v letech 1980 a 1981-1982 následovaly vysoké úrokové sazby, které omezily kapitálové výdaje. Toto snížení způsobilo zmatek v oblasti polovodičů, která v té době byla velmi závislá na kapitálových výdajích. Výrobci zoufale touží udržet své fabriky plné a dovolit si neustálou modernizaci v rychle se rozvíjejícím průmyslu se stali hyperkonkurenčními. Mnoho nových účastníků na trhu srazilo ceny hradlových polí na mezní náklady výrobců křemíku. Společnosti bez fabulí, jako jsou LSI Logic a CDI, přežily spíše prodejem projekčních služeb a počítačového času než výnosy z výroby.

Nepřímá konkurence vznikla s rozvojem pole programovatelných bran (FPGA). Společnost Xilinx byla založena v roce 1984 a její první produkty byly hodně podobné raným branám, pomalá a drahá, vhodná pouze pro některé specializované trhy. Moorův zákon z nich však rychle udělal sílu a počátkem devadesátých let vážně narušil trh s hradlovými poli.

Designéři stále toužili po způsobu, jak vytvořit vlastní složité čipy bez nákladů na plně přizpůsobený design, a nakonec bylo toto přání splněno s příchodem nejen FPGA, ale komplexního programovatelného logického zařízení (CPLD), kovových standardních konfigurovatelných buněk ( MCSC) a strukturované ASIC. Zatímco hradlové pole vyžadovalo slévárnu opláštění polovodičových destiček k ukládání a leptání propojení, FPGA a CPLD měly uživatelsky programovatelná propojení. Dnešní přístup je vytvořit prototypy pomocí FPGA, protože riziko je nízké a funkčnost lze rychle ověřit. U menších zařízení jsou výrobní náklady dostatečně nízké. Ale u velkých FPGA je výroba velmi drahá, energeticky náročná a v mnoha případech nedosahuje požadované rychlosti. K řešení těchto problémů nabízí několik společností ASIC jako BaySand , Faraday , Gigoptics a další služby převodu z FPGA na ASIC.

Pokles

Na počátku 21. století byl trh s hradlovými poli pozůstatkem dřívějšího já, který byl poháněn převody FPGA provedenými z důvodu nákladů nebo výkonu. IMI se přesunul z hradlových polí do obvodů smíšeného signálu a později jej získal Cypress Semiconductor v roce 2001; CDI zavřelo své dveře v roce 1989; a LSI Logic opustily trh ve prospěch standardních produktů a nakonec jej získala společnost Broadcom.

Reference

externí odkazy

• Média související s poli polí na Wikimedia Commons