Kapu tömb - Gate array

A kapu tömb egy megközelítés az alkalmazásspecifikus integrált áramkörök (ASIC) tervezéséhez és gyártásához, előregyártott chip használatával , alkatrészekkel, amelyeket később összekapcsolnak logikai eszközökkel (pl. NAND kapuk , papucsok stb.) Egyedi megrendelés szerint. fém összekötő rétegek hozzáadásával a gyárban.

Hasonló technológiákat alkalmaztak analóg, analóg-digitális és strukturált tömbök tervezésére és gyártására is, de általában ezeket nem nevezik kapu tömböknek.

A kapu tömböket el nem kötelezett logikai tömbök ( ULA ) néven is ismerték , amelyek lineáris áramkör funkciókat és félig egyedi chipeket is kínáltak.

Tervezés

A kapu tömb egy előregyártott szilícium chip, a legtöbb tranzisztornak nincs előre meghatározott funkciója. Ezeket a tranzisztorokat fémrétegekkel lehet összekapcsolni, hogy szabványos NAND vagy NOR logikai kapukat képezzenek . Ezek a logikai kapuk ezután tovább kapcsolhatók egy teljes áramkörbe ugyanazon vagy későbbi fémrétegeken. Egy meghatározott funkciójú áramkör létrehozása úgy valósul meg, hogy ezt az utolsó fémréteget vagy rétegeket a gyártási folyamat végén hozzáadják a chiphez, lehetővé téve a chip funkciójának tetszés szerinti testreszabását. Ezek a rétegek analógok a nyomtatott áramköri lap rézrétegeivel .

A legkorábbi kapu tömbök bipoláris tranzisztorokat tartalmaztak , amelyeket általában nagy teljesítményű tranzisztor-tranzisztor logika , emitter-csatolt logika vagy aktuális módú logikai konfigurációk konfiguráltak. Később kifejlesztették a CMOS (kiegészítő fém-oxid-félvezető ) kapu tömböket, amelyek uralni kezdték az iparágat.

Gate array mester szeletek befejezetlen chips öltözve egy egész szelet általában előre gyártott, és készletezett nagy mennyiségben függetlenül vevői megrendelések. Az egyedi vevői előírásoknak megfelelő tervezés és gyártás rövidebb idő alatt befejezhető, mint a standard cella vagy a teljes egyedi kialakítás. A kapu tömb megközelítése csökkenti az ismétlődő műszaki maszk költségeit, mivel kevesebb egyedi maszkot kell előállítani. Ezenkívül a gyártási teszteszközök átfutási ideje és költségei is csökkennek - ugyanazok a vizsgálóberendezések használhatók minden, ugyanazon szerszámmérettel gyártott kaputömb -termékhez . A kapu tömbök a bonyolultabb struktúrájú ASIC elődjei voltak ; a kapu tömbökkel ellentétben a strukturált ASIC -k általában előre definiált vagy konfigurálható memóriákat és/vagy analóg blokkokat tartalmaznak.

Alkalmazási áramkört kell építeni egy kapu tömbre, amely elegendő kapuval, huzalozással és I/O csapokkal rendelkezik. Mivel a követelmények eltérőek, a kapu tömbök általában családokban érkeznek, a nagyobb tagoknak több erőforrásuk van, de ennek megfelelően drágábbak. Míg a tervező meglehetősen könnyen meg tudja számolni, hogy hány kapura és I/O csapra van szükség, a szükséges útvonalvonalak száma jelentősen eltérhet még az azonos logikájú tervek között is. (Például egy keresztléc kapcsoló sokkal több útválasztást igényel, mint az azonos kapuszámú szisztolés tömb .) Mivel a fel nem használt útválasztó sávok megnövelik az alkatrész költségeit (és csökkentik a teljesítményt) anélkül, hogy előnyt jelentenének, a kapu tömbgyártók megpróbálnak csak elegendő sáv ahhoz, hogy a legtöbb, a kapukhoz és az I/O csapokhoz illeszkedő kialakítás irányítható legyen. Ezt olyan becslések határozzák meg, mint például a Rent szabályából származó becslések, vagy a meglévő tervekkel végzett kísérletek.

A kapu tömbök fő hátrányai a valamivel alacsonyabb sűrűség és teljesítmény, összehasonlítva az ASIC tervezés más megközelítéseivel. Ez a stílus azonban gyakran életképes megközelítés az alacsony termelési volumenek esetében.

Történelem

Fejlődés

A kapu tömböknek több párhuzamos fejlesztési útja volt. Ferranti az Egyesült Királyságban úttörő szerepet játszott a bipoláris ULA technológia kereskedelmi forgalmazásában , 1983-ra "100-10 000 kapu és annál magasabb" áramköröket kínálva, majd később félig egyedi chipekben felhagyott ezzel az előnnyel. Az IBM saját fejlesztésű bipoláris master szeleteket fejlesztett ki, amelyeket az 1970 -es évek végén és az 1980 -as évek elején használt a nagyszámítógép -gyártásban, de soha nem hozta kereskedelmi forgalomba. A Fairchild Semiconductor szintén röviden flörtölt a hatvanas évek végén a bipoláris tömbök diódával -tranzisztor logikájával és a tranzisztor -tranzisztor logikával, amit Micromosaic és Polycell néven hívtak.

A CMOS (kiegészítő fém-oxid-félvezető ) technológia megnyitotta az ajtót a kapu tömbök széles körű kereskedelmi forgalomba hozatala előtt. Az első CMOS kapu tömböket Robert Lipp fejlesztette ki 1974-ben az International Microcircuits, Inc. (IMI) Sunnyvale fotó-maszk boltjának, amelyet Frank Deverse, Jim Tuttle és Charlie Allen, az IBM korábbi munkatársai alapítottak. Ez az első termékcsalád 7,5 mikronos egyszintű fém CMOS technológiát használt, és 50 és 400 kapu között változott . A számítógépes tervezés (CAD) technológia annak idején nagyon kezdetleges volt a rendelkezésre álló alacsony feldolgozási teljesítmény miatt, ezért ezen első termékek tervezése csak részben automatizált.

Ez a termék úttörő szerepet játszott számos olyan szolgáltatásban, amelyek a jövőbeni tervek szabványossá váltak. A legfontosabbak a következők voltak: az n-csatornás és p-csatornás tranzisztorok szigorú szervezése 2-3 sorpárban a chipen keresztül; és az összes összeköttetést rácsokon futtatja, nem pedig a minimális egyéni távolságot, ami addig a szabvány volt. Ez a későbbi újítás megnyitotta az utat a teljes automatizáláshoz, amikor a 2 rétegű CMOS tömbök kifejlesztésével párosult. Ezen első részek testreszabása kissé fárasztó és hibalehetőséget okozott a jó szoftvereszközök hiánya miatt. Az IMI kihasználta a PC -kártya fejlesztési technikáit, hogy minimalizálja a kézi testreszabási erőfeszítéseket. Az akkori chipeket úgy tervezték, hogy kézzel rajzolták az összes komponenst, és összekapcsolták precíziós rácsos Mylar lapokon, színes ceruzák segítségével határozták meg az egyes feldolgozási rétegeket. A rubil -lapokat ezután levágták és hámozták, hogy a folyamatréteg (jellemzően) 200-400 -szoros méretarányú ábrázolását hozzák létre. Ezt a fotót leredukáltuk, hogy 1x maszkot készítsünk. A digitalizálás, nem pedig a rubilitvágás csak a legújabb technológia volt, de kezdetben csak a rubilit fázist távolította el; a rajzokat még kézzel, majd "kézzel" digitalizálták. A PC -kártyák időközben az egyedi rubilitről átköltöztek a PC -szalagra. Az IMI létrehozta az alaprétegek méretarányos fotónagyítását. A logikai kapucsatlakozások matricáit és a PC-szalagot használva ezeknek a kapuknak az összekapcsolásához, az egyedi áramköröket gyorsan kézzel el lehet helyezni ezekhez a viszonylag kis áramkörökhöz, és a meglévő technológiák alkalmazásával csökkenteni lehet a fényképeket.

Az IMI -vel való bukása után Robert Lipp 1978 -ban két csendes partnerrel, Bernie Aronsonnal és Brian Tighe -vel alapította a California Devices, Inc. -t (CDI). A CDI gyorsan kifejlesztett egy, az IMI -vel versenyképes termékcsaládot, majd röviddel ezután egy 5 mikronos szilícium -kapu egyrétegű termékcsaládot, 1200 sűrűségig. Néhány évvel később a CDI "csatorna nélküli" kapu tömböket követett, amelyek csökkentették a bonyolultabb szilícium alátétréteg által okozott sorblokkolásokat, amelyek előre bekötötték az egyes tranzisztoros csatlakozásokat a közös logikai funkciókhoz szükséges helyekre, egyszerűsítve az első szintű fémcsatlakozást . Ez 40%-kal növelte a forgács sűrűségét, jelentősen csökkentve a gyártási költségeket.

Aggodalmak a korai kapu tömbökkel, innovációs kísérletek

A korai kapu tömbök alacsony teljesítményűek, és viszonylag nagyok és drágák voltak a legmodernebb n-MOS technológiához képest, amelyet akkoriban egyedi chipekhez használtak. A CMOS technológiát nagyon alacsony energiafogyasztású alkalmazások hajtották, mint például az óralapkák és az akkumulátorral működtetett hordozható műszerek, nem a teljesítmény. Jól teljesítettek a meglévő domináns logikai technológia, a tranzisztor -tranzisztor logikai családok teljesítményében is. Sok olyan réses alkalmazás volt azonban, ahol felbecsülhetetlen értékűek voltak, különösen az alacsony fogyasztású, méretcsökkentő, hordozható és űrhajózási alkalmazások, valamint a piacra jutás szempontjából érzékeny termékek esetében. Még ezek a kis tömbök is lecserélhetik a tranzisztor -tranzisztor logikai kapukkal teli kártyát, ha a teljesítmény nem lenne probléma. Egy általános alkalmazás számos kisebb áramkör kombinálása volt, amelyek egy nagyobb LSI áramkört támogattak a táblán, szeretettel "szemétgyűjtés" néven. A fejlesztés és az egyedi szerszámok alacsony költségei pedig a legszerényebb költségvetések számára is elérhetővé tették a technológiát. A korai kapu tömbök nagy szerepet játszottak a CB őrületben az 1970-es években , valamint más későbbi tömeggyártású termékek, például modemek és mobiltelefonok bevezetésének eszközei.

Az 1980 -as évek elejére a kapu tömbök elkezdtek kimozdulni a réses alkalmazásaikból az általános piacra. A technológia és a piacok több tényezője közeledett egymáshoz. A méret és a teljesítmény növekedett; érlelődött az automatizálás; a technológia "felforrósodott", amikor 1981 -ben az IBM bemutatta új csúcsmodelljét, a 3081 -es mainframe -et, amely CPU -t tartalmaz, kapu tömböket; fogyasztási cikkben, a ZX81 -ben használták; és az új piaci szereplők növelték a láthatóságot és a hitelességet.

1981 -ben Wilfred Corrigan , Bill O'Meara Rob Walker és Mitchell "Mick" Bohn alapították az LSI Logic -ot . Kezdeti szándékuk az emitterhez kapcsolt logikai kapu tömbök kereskedelmi forgalomba hozatala volt, de felfedezték, hogy a piac gyorsan halad a CMOS felé. Ehelyett második forrásként engedélyezték a CDI szilikonkapu CMOS vonalát. Ez a termék hozta létre őket a piacon, miközben kifejlesztették saját, 5 mikronos kétrétegű fémcsaládjukat. Ez utóbbi termékcsalád volt az első kereskedelmi kapu tömb termék, amely teljes automatizálásra alkalmas. Az LSI kifejlesztett egy sor fejlesztői eszközt, amely lehetővé tette a felhasználók számára, hogy saját chipjüket saját létesítményükből tervezzék távoli bejelentkezéssel az LSI Logic rendszerébe.

A Sinclair Research továbbfejlesztett ZX80 konstrukciót adott át a ZX81 ULA chipjéhez , majd később ULA -t használt a ZX Spectrumban . Kompatibilis chipet gyártottak Oroszországban T34VG1 néven. Az Acorn Computers több ULA -chipet használt a BBC Micro -ban, később pedig egyetlen ULA -t a Acorn Electron számára . Sok más gyártó az otthoni számítógép fellendülésének korszakából ULA -t használt a gépeiben. Az IBM PC átvette a személyi számítógépek piacának nagy részét, és az értékesítési volumenek gazdaságosabbá tették a teljesen egyedi chipeket. A Commodore Amiga sorozatában kapu tömböket használtak a Gary és Gayle egyedi chipekhez, ahogy kódnevük is sugallhatja.

Bumm

Míg a piac fellendült, az iparág profitja hiányzott. A félvezetők gördülő recessziókon mentek keresztül az 1980-as években, amelyek fellendülési ciklusot hoztak létre. Az 1980-as és az 1981-1982-es általános recessziót magas kamatok követték, amelyek megfékezték a tőkekiadásokat. Ez a csökkentés pusztított a félvezető üzletágban, amely akkor nagymértékben függött a tőkekiadásoktól. A gyártók kétségbeesetten igyekeztek tele tartani gyáregységeiket, és megengedni maguknak a folyamatos korszerűsítést egy gyorsan fejlődő iparágban. A sok új belépő a piacon a kapu tömb árait a szilíciumgyártók határköltségeire csökkentette. Az olyan Fabless vállalatok, mint az LSI Logic és a CDI, a tervezési szolgáltatások és a számítógépes idő értékesítéséből maradtak fenn, nem pedig a termelési bevételekből.

Közvetett verseny alakult ki a terepi programozható kapu tömb (FPGA) kifejlesztésével . A Xilinx -et 1984 -ben alapították, és első termékei olyanok voltak, mint a korai kapu tömbök, lassúak és drágák, és csak néhány réspiacra alkalmasak. A Moore -törvény azonban gyorsan erőivé tette őket, és a kilencvenes évek elején komolyan megzavarta a kapu tömbpiacot.

A tervezők továbbra is azt kívánták, hogy saját komplex chipjeiket a teljes egyedi tervezés költségei nélkül hozzák létre, és végül ez a kívánság teljesült, nem csak az FPGA, hanem a komplex programozható logikai eszköz (CPLD), fém konfigurálható szabványos cellák ( MCSC) és a strukturált ASIC -ek. Míg egy kapu tömbhöz egy hátsó félvezető ostyaöntödére volt szükség az összekapcsolások lerakásához és maratásához, addig az FPGA és a CPLD felhasználói programozható összeköttetésekkel rendelkezett. A mai megközelítés szerint a prototípusokat FPGA -k készítik, mivel a kockázat alacsony, és a funkcionalitás gyorsan ellenőrizhető. Kisebb eszközök esetében a gyártási költségek kellően alacsonyak. De a nagy FPGA -k esetében a gyártás nagyon drága, energiaigényes, és sok esetben nem éri el a kívánt sebességet. Ezeknek a problémáknak a megoldására számos ASIC vállalat, például a BaySand , a Faraday , a Gigoptics és mások kínálnak FPGA -ASIC konverziós szolgáltatásokat.

Hanyatlás

A 21. század elejétől kezdve a kapu tömb piaca volt önmagának maradványa, amelyet a költségek vagy teljesítmény okokból végrehajtott FPGA átalakítások hajtottak. Az IMI kikerült a kapu tömbökből a vegyes jeláramkörökbe, és később a Cypress Semiconductor vásárolta meg 2001 -ben; A CDI 1989 -ben bezárta kapuit; és az LSI Logic elhagyta a piacot a standard termékek javára, és végül a Broadcom vette meg.

Hivatkozások

Külső linkek

• Kapu tömbökkel kapcsolatos média a Wikimedia Commonsban