Poarta matrice - Gate array

O matrice de porți este o abordare a proiectării și fabricării circuitelor integrate specifice aplicației (ASIC) utilizând un cip prefabricat cu componente care sunt ulterior interconectate în dispozitive logice (de exemplu , porți NAND , flip-flops etc.) conform unei comenzi personalizate prin adăugarea de straturi de interconectare metalică în fabrică.

Tehnologii similare au fost, de asemenea, folosite pentru proiectarea și fabricarea matricelor analogice, analogico-digitale și structurate, dar, în general, acestea nu sunt numite tablouri de poartă.

Tablourile de poartă au fost, de asemenea, cunoscute sub numele de matrici logice necompromise ( ULA ), care oferau și funcții de circuit liniar și cipuri semi-personalizate.

Proiecta

O matrice de poartă este un cip de siliciu prefabricat, cu majoritatea tranzistoarelor care nu au funcție predeterminată. Acești tranzistori pot fi conectați prin straturi metalice pentru a forma porți logice standard NAND sau NOR . Aceste porți logice pot fi ulterior interconectate într-un circuit complet pe aceleași straturi de metal sau mai târziu. Crearea unui circuit cu o funcție specificată se realizează prin adăugarea acestui strat sau straturi finale de interconectare metalică la cip târziu în procesul de fabricație, permițând funcția cipului să fie personalizată după cum doriți. Aceste straturi sunt similare straturilor de cupru ale unei plăci cu circuite imprimate .

Cele mai vechi tablouri de poartă cuprindeau tranzistoare bipolare , de obicei configurate ca tranzistor de înaltă performanță - logică tranzistor , logică cuplată emițător sau configurații logice în modul curent . Matricele de porți CMOS ( metal-oxid-semiconductor complementar ) au fost dezvoltate ulterior și au ajuns să domine industria.

Feliile principale de matrice de poartă cu jetoane neterminate dispuse pe o placă sunt de obicei prefabricate și stocate în cantități mari, indiferent de comenzile clienților. Proiectarea și fabricarea în conformitate cu specificațiile individuale ale clienților pot fi finalizate într-un timp mai scurt decât celula standard sau designul personalizat complet . Abordarea matricii de poartă reduce costurile de mască de inginerie non-recurente, deoarece trebuie produse mai puține măști personalizate. În plus, scăderea timpului de fabricație a sculelor de testare și a costurilor sunt reduse - aceleași dispozitive de testare pot fi folosite pentru toate produsele cu porti fabricate pe aceeași dimensiune a matriței . Tablourile de poartă au fost predecesorul ASIC structurat mai complex ; spre deosebire de tablourile de poartă, ASIC-urile structurate tind să includă memorii predefinite sau configurabile și / sau blocuri analogice.

Un circuit de aplicație trebuie construit pe o rețea de porți care are suficiente porți, cabluri și pini I / O. Deoarece cerințele variază, matricile de poartă vin de obicei în familii, membrii mai mari având mai multe resurse, dar în mod corespunzător mai scumpe. În timp ce proiectantul poate număra destul de ușor câte porți și pini de intrare / ieșire sunt necesari, numărul de piste de rutare necesare poate varia considerabil chiar și între proiectele cu aceeași cantitate de logică. (De exemplu, un comutator transversal necesită mult mai multă rutare decât o matrice sistolică cu același număr de porți.) Deoarece pistele de rutare neutilizate măresc costul (și scad performanța) piesei fără a oferi niciun beneficiu, producătorii de matrice de porți încearcă să furnizeze doar suficiente piste pentru a putea fi direcționate cele mai multe modele care se vor potrivi în ceea ce privește porțile și pinii I / O. Acest lucru este determinat de estimări precum cele derivate din regula Rent sau de experimente cu modele existente.

Principalele dezavantaje ale tablourilor de poartă sunt densitatea și performanța lor oarecum mai scăzute în comparație cu alte abordări ale proiectării ASIC. Cu toate acestea, acest stil este adesea o abordare viabilă pentru volume mici de producție.

Istorie

Dezvoltare

Tablourile Gate au avut mai multe căi de dezvoltare simultane. Ferranti din Marea Britanie a fost pionierul comercializării tehnologiei bipolare ULA, oferind circuite de "100 până la 10.000 de porți și mai mult" până în 1983, apoi a abandonat ulterior acest derivat în cipuri semi-personalizate. IBM a dezvoltat felii master bipolare proprietare pe care le-a folosit la fabricarea mainframe la sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980, dar nu le-a comercializat niciodată extern. Fairchild Semiconductor a cochetat de asemenea la scurt timp la sfârșitul anilor 1960 cu matrice bipolare logică diodă-tranzistor și logică tranzistor-tranzistor numită Micromosaic și Polycell.

Tehnologia CMOS (complementar metal-oxid-semiconductor ) a deschis ușa spre comercializarea largă a tablourilor de porți. Primele tablouri de poartă CMOS au fost dezvoltate de Robert Lipp în 1974 pentru International Microcircuits, Inc. (IMI), un magazin de mască foto Sunnyvale început de Frank Deverse, Jim Tuttle și Charlie Allen, foști angajați IBM. Această primă linie de produse a folosit tehnologia CMOS metalică de un singur nivel de 7,5 microni și a variat între 50 și 400 de porți . La acea vreme, tehnologia de proiectare asistată de computer (CAD) era foarte rudimentară datorită puterii reduse de procesare disponibile, astfel încât proiectarea acestor prime produse a fost doar parțial automatizată.

Acest produs a fost pionierul mai multor caracteristici care au devenit standard pentru viitoarele modele. Cele mai importante au fost: organizarea strictă a tranzistoarelor n-channel și p-channel în 2-3 perechi de rânduri pe cip; și rularea tuturor interconectărilor pe rețele, mai degrabă decât spațierea personalizată minimă, care fusese standardul până atunci. Această inovație ulterioară a pregătit calea către automatizarea completă atunci când este combinată cu dezvoltarea matricilor CMOS cu 2 straturi. Personalizarea acestor prime părți a fost oarecum obositoare și predispusă la erori din cauza lipsei unor instrumente software bune. IMI a folosit tehnicile de dezvoltare a plăcilor PC-ului pentru a minimiza efortul de personalizare manuală. Chipsurile de la acea vreme erau proiectate prin desenarea manuală a tuturor componentelor și interconectarea pe foi Mylar cu rețea de precizie, folosind creioane colorate pentru a delimita fiecare strat de procesare. Foi de Rubylith au fost apoi tăiate și decojite pentru a crea o reprezentare (de obicei) de 200x la 400x a stratului de proces. Aceasta a fost apoi redusă foto pentru a crea o mască de 1x. Digitizarea, mai degrabă decât tăierea rubilitului, tocmai venea ca cea mai recentă tehnologie, dar inițial a eliminat doar stadiul rubilitului; desenele erau încă manuale și apoi „manual” digitalizate. Între timp, plăcile PC s-au mutat de la rubylith personalizat la bandă PC pentru interconectări. IMI a creat măriri foto la scară a straturilor de bază. Folosind decalcomanii de conexiuni de poartă logică și bandă PC pentru a interconecta aceste porți, circuitele personalizate ar putea fi repartizate rapid manual pentru aceste circuite relativ mici și reduse foto folosind tehnologiile existente.

După o cădere cu IMI, Robert Lipp a început să înceapă California Devices, Inc. (CDI) în 1978 cu doi parteneri tăcuți, Bernie Aronson și Brian Tighe. CDI a dezvoltat rapid o linie de produse competitivă cu IMI și la scurt timp după aceea o linie de produse cu un singur strat de poartă de siliciu de 5 microni cu densități de până la 1.200 de porți. Câțiva ani mai târziu, CDI a urmat cu tablouri de poartă „fără canal” care au redus blocajele rândurilor cauzate de un strat de siliciu mai complex care a pre-conectat conexiunile individuale ale tranzistorului la locațiile necesare funcțiilor logice comune, simplificând interconectarea metalică de primul nivel . Aceasta a crescut densitatea cipurilor cu 40%, reducând semnificativ costurile de fabricație.

Preocupări cu matricele de poartă timpurii, încercări de inovare

Tablourile de poartă timpurii au avut performanțe scăzute și relativ mari și costisitoare în comparație cu tehnologia de ultimă generație n-MOS, fiind apoi utilizate pentru jetoane personalizate. Tehnologia CMOS a fost condusă de aplicații de putere foarte mică, cum ar fi cipurile de ceas și instrumentele portabile cu baterie, nu de performanță. De asemenea, au fost mult sub performanța tehnologiei logice dominante existente, a familiilor logice tranzistor-tranzistor. Cu toate acestea, au existat multe aplicații de nișă în care au fost de neprețuit, în special în aplicațiile cu putere redusă, reducere a dimensiunii, portabile și aerospațiale, precum și în produsele sensibile la comercializare. Chiar și aceste mici tablouri ar putea înlocui o placă plină de porți logice tranzistor-tranzistor dacă performanța nu ar fi o problemă. O aplicație obișnuită a fost combinarea unui număr de circuite mai mici care susțineau un circuit LSI mai mare pe o placă. Iar costul redus al dezvoltării și instrumentele personalizate au făcut ca tehnologia să fie disponibilă pentru cele mai modeste bugete. Primele matrice de porți au jucat un rol important în nebunia CB în anii 1970 , precum și un vehicul pentru introducerea altor produse produse în serie ulterioare, cum ar fi modemurile și telefoanele mobile.

La începutul anilor 1980, matricile de poartă începeau să se mute din aplicațiile lor de nișă pe piața generală. Mai mulți factori din tehnologie și piețe convergeau. Dimensiunea și performanța au fost în creștere; automatizarea se maturiza; tehnologia a devenit „fierbinte” când în 1981 IBM a introdus noul său mainframe- pilot 3081 cu procesor care cuprinde tablouri de poartă; au fost utilizate într-un produs de larg consum, ZX81; iar noii intrați pe piață au sporit vizibilitatea și credibilitatea.

În 1981, Wilfred Corrigan , Bill O'Meara Rob Walker și Mitchell "Mick" Bohn au fondat LSI Logic . Intenția lor inițială a fost comercializarea matricilor de poartă logică cuplate de emițătoare, dar au descoperit că piața se îndreaptă rapid către CMOS. În schimb, au licențiat linia CMOS a porții de siliciu CDI ca a doua sursă. Acest produs le-a stabilit pe piață în timp ce își dezvoltau propria lor linie de metal cu 2 straturi de 5 microni. Această ultimă linie de produse a fost prima gamă de produse comerciale care poate fi automatizată complet. LSI a dezvoltat o suită de instrumente de dezvoltare proprietare care le-a permis utilizatorilor să-și proiecteze propriul cip din propria instalație prin conectarea de la distanță la sistemul LSI Logic.

Sinclair Research a portat un design ZX80 îmbunătățit pe un cip ULA pentru ZX81 și ulterior a folosit un ULA în ZX Spectrum . Un cip compatibil a fost fabricat în Rusia sub denumirea de T34VG1. Acorn Computers a folosit mai multe cipuri ULA în BBC Micro și mai târziu un singur ULA pentru Acorn Electron . Mulți alți producători din perioada de creștere a computerului de acasă au folosit ULA-uri în mașinile lor. PC - ul IBM a preluat o mare parte din piața calculatoarelor personale, precum și volumul de vânzări a făcut chips - uri full-personalizate mai economice. Seria Amiga a Commodore a folosit tablouri de poartă pentru chips-urile personalizate Gary și Gayle, așa cum pot sugera numele lor de cod.

Boom

În timp ce piața a crescut, profiturile pentru industrie au lipsit. Semiconductorii au suferit o serie de recesiuni în cursul anilor 1980, care au creat un ciclu boom-bust. Recesiunile generale din 1980 și 1981-1982 au fost urmate de rate ale dobânzii ridicate care au limitat cheltuielile de capital. Această reducere a făcut ravagii în activitatea cu semiconductori, care la acea vreme era foarte dependentă de cheltuielile de capital. Producătorii disperați să-și mențină plantele fabuloase pline și să-și permită modernizarea constantă într-o industrie în mișcare rapidă au devenit hipercompetitivi. Mulți noi intranți pe piață au dus la reducerea prețurilor matricei de porți până la costurile marginale ale producătorilor de siliciu. Companiile Fabless, cum ar fi LSI Logic și CDI, au supraviețuit vânzând servicii de proiectare și timp de calcul, mai degrabă decât pe veniturile din producție.

Concurența indirectă a apărut odată cu dezvoltarea matricei de porți programabile pe teren (FPGA). Xilinx a fost fondată în 1984 și primele sale produse seamănă cu matricele de poartă timpurii, lente și costisitoare, potrivite doar pentru unele piețe de nișă. Cu toate acestea, Legea lui Moore le-a făcut rapid o forță și, la începutul anilor 1990, perturbă grav piața de rețele de poartă.

Proiectanții și-au dorit încă o modalitate de a-și crea propriile cipuri complexe fără cheltuiala unui design complet personalizat și, în cele din urmă, această dorință a fost acordată odată cu venirea nu numai a FPGA, ci a dispozitivului logic programabil complex (CPLD), a celulelor standard configurabile din metal ( MCSC) și ASIC structurate. În timp ce o matrice de poartă a necesitat o turnătorie de semiconductoare pentru a depune și a grapa interconectările, FPGA și CPLD au avut interconectări programabile de utilizator. Abordarea de astăzi este de a face prototipurile de către FPGA, deoarece riscul este scăzut și funcționalitatea poate fi verificată rapid. Pentru dispozitivele mai mici, costurile de producție sunt suficient de mici. Dar pentru FPGA-urile mari, producția este foarte scumpă, are nevoie de energie și, în multe cazuri, nu ating viteza necesară. Pentru a rezolva aceste probleme, mai multe companii ASIC precum BaySand , Faraday , Gigoptics și altele oferă servicii de conversie FPGA în ASIC.

Declin

De la începutul secolului al XXI-lea, piața rețelelor de poartă era o rămășiță a fostului său sine, determinată de conversiile FPGA realizate din motive de cost sau performanță. IMI s-a mutat din rețelele de poartă în circuite de semnal mixte și a fost achiziționat ulterior de Cypress Semiconductor în 2001; CDI și-a închis porțile în 1989; iar LSI Logic a abandonat piața în favoarea produselor standard și a fost achiziționată în cele din urmă de Broadcom.

Referințe

linkuri externe

• Medii legate de tablourile Gate la Wikimedia Commons