Импортозамещение ЭКБ: Базовые матричные кристаллы

Импортозамещение ЭКБ: Базовые матричные кристаллы

20 Февраля 2016
 

Версию статьи, опубликованную в журнале «Электроника НТБ» №2'2016, вы можете прочитать по ссылке.

Сегодня перед российской промышленностью стоит задача замещения электронной компонентной базы (ЭКБ) импортного производства. При этом ресурсы, выделяемые на новые разработки, ограничены. В этих условиях прямое замещение импортных продуктов отечественными невозможно. Приходится искать обходные, гибкие решения. Одно из них – базовые матричные кристаллы (БМК).

БМК подразделяются на цифровые и аналого-цифровые (АЦ БМК). Первые представляют собой микросхемы, в состав которых входят только цифровые ячейки, вторые содержат также аналоговые блоки. Конфигурирование БМК в готовую полузаказную микросхему выполняется посредством разработки металлических соединений между ячейками (разработки "зашивки").

Применение цифровых и аналого-цифровых БМК позволяет решить несколько задач. Во-первых, сложный модуль, состоящий из многих микросхем, трансформируется в одну компактную микросхему. Во-вторых, широкая номенклатура различных универсальных микросхем может быть воспроизведена путем применения соответствующих "зашивок". Большинство используемых в аппаратуре импортных микросхем изготовлено по технологиям 10–15-летней давности, поэтому полузаказные микросхемы на основе БМК, выполненные по современным технологиям, имеют схожие или улучшенные характеристики. В-третьих, упрощается унификация, поскольку технические решения предусматривают единые напряжения питания, входы-выходы, элементы, одни и те же показатели стойкости к неблагоприятным воздействиям и надежности.

В России разработкой и производством БМК занимаются несколько компаний. Современные кристаллы изготавливают по технологиям КМОП и КМОП КНИ с проектными нормами 180 и 90 нм.

Рисунок 1. Возможность замещения импортных микросхем АЦП, ЦАП и ПЛИС полузаказными схемами БМК и АЦ БМК

Предварительный анализ перечня используемых импортных микросхем показал, что в 40% случаев для их замены можно применять БМК (рис.1). По ряду позиций есть готовые решения в виде "зашивок", в остальных случаях необходимо разрабатывать новые "зашивки" или дорабатывать существующие БМК.

Емкость цифровой части современных АЦ БМК составляет порядка 100 тыс. цифровых вентилей, емкость цифровых БМК – до 10 млн. вентилей. Это соответствует ПЛИС XCV200 и Virtex 6 фирмы Xilinx.

Библиотека элементов цифровых БМК содержит более 500 последовательностных и комбинационных элементов, более 50 ячеек ввода-вывода, а также сложнофункциональные (СФ) блоки, такие как LVDS-интерфейс, ОЗУ, FIFO-буфер, синтезаторы частот, супервизоры питания и др. Для проектирования "зашивок" цифрового БМК используются современные САПР разработки универсальных и заказных схем.

Таблица 1. Характеристики блоков, входящих в состав современных аналого-цифровых БМК

Тип блока Основные характеристики
Аналого-цифровые преобразователи (многоканальные, до 16 каналов) Последовательного приближения Количество разрядов: 8–14
Частота выборок: до 5 МГц
Конвейерные Количество разрядов: 10–14
Частота выборок: до 10 МГц
Сигма-дельта Количество разрядов: до 24
Частота выборок: до 2 кГц
Интегрирующие Количество разрядов: 12–16
Частота выборок: до 1 кГц
Параллельные Количество разрядов: 6–8
Частота выборок: до 200 МГц
Цифро-аналоговые преобразователи (многоканальные, до 8 каналов) R-2R Количество разрядов: 10–14
Время установления: до 20 нс
Сигма-дельта Количество разрядов: до 24
Время установления: до 100 мкс
На емкостной матрице Количество разрядов: 10–14
Время установления: до 20 нс
С токовыми ключами Количество разрядов: 10–12
Время установления: до 10 нс
Операционные усилители Коэффициент усиления: до 140 дБ
Частота единичного усиления: до 200 МГц
Напряжение смещения: не более 50 мкВ
Быстродействующие операционные усилители Коэффициент усиления: до 100 дБ
Частота единичного усиления: до 100 МГц
Напряжение смещения: не более 100 мкВ
Компараторы Напряжение смещения: не более 100 мкВ
Время срабатывания: не более 10 нс
Источники опорного напряжения Температурный коэффициент: не более 100 ppm/⁰C
 

Рисунок 2. Микросхема аналого-цифрового преобразования, выполненная на основе АЦБМК:
а) блок-схема, б) топология

В состав современных аналого-цифровых БМК могут входить различные блоки (см. таблицу). На основе одной "зашивки" АЦ БМК можно реализовать как несколько микросхем, так и отдельный функциональный модуль. Характерный пример – многоканальная схема аналого-цифрового преобразования (рис.2), замещающая собой сразу несколько типов микросхем АЦП и ЦАП. Основные характеристики схемы:

  • количество входных каналов АЦП: 16
  • количество выходных каналов ЦАП: 8
  • разрядность: 14 бит
  • интегральная нелинейность: не более ±4 МЗР
  • дифференциальная нелинейность: не более ±1 МЗР
  • время преобразования на канал: 4 мкс
  • задействованная емкость БМК: 80%

Рисунок 3. Микросхема обработки данных датчиков температуры, выполненная на основе АЦ БМК:
а) блок-схема, б) топология

Еще один пример – схема обработки данных датчиков температуры, представляющая собой законченный модуль сбора телеметрической информации (рис.3). Схема имеет следующие характеристики:

  • возможность работы с резистивными и диодными датчиками
  • одновременное обслуживание 18 датчиков
  • регулировка токов и диапазонов измерений температ уры
  • два цифровых интерфейса ввода-вывода информации
  • частота выборок сигналов до 15 Квыб/с при тактовой частоте 1 МГц
  • задействованная емкость БМК: 70%

По сравнению с решениями на стандартных микросхемах при аналогичных технических характеристиках указанные "зашивки" отличаются меньшими стоимостью, площадью модуля, более высокой надежностью и стойкостью к внешним факторам. В частности, за счет использования КНИ КМОП технологии гарантируется работоспособность при температурах окружающей среды от –60 до 125°C и более. Также микросхемы обладают высокой стойкостью к специальным воздействующим факторам, включая факторы космического пространства (гарантированное отсутствие отказов при воздействии тяжелых заряженных частиц и стойкость к накопленной дозе) и высокой надежностью – наработка на отказ составляет до 200 тыс. ч. Применение "зашивки" БМК вместо платы с несколькими микросхемами повышает надежность модуля в несколько раз.

Рисунок 4. Сравнение времени и затрат на производство микросхем при использовании БМК, СБИС на сложно-функциональных блоках и полностью заказной СБИС

Время и затраты на разработку и производство одной полузаказной микросхемы существенно ниже, чем при использовании альтернативных решений: заказной микросхемы без сложнофункциональных блоков по производству аппаратуры, что объясняется наличием инфраструктуры, упрощающей процесс разработки: библиотек элементов, правил проектирования и набора типовых решений. Это особенно важно в области аналогового проектирования, где наблюдается острый дефицит навыков и специалистов. Если предприятие активно участвует в разработке микросхем, предназначенных для использования в собственной аппаратуре, существенно повышаются качество проектирования и вероятность быстрого внедрения, а также технический уровень аппаратуры

Применение БМК оправданно, в частности, при изготовлении специализированных узкоцелевых микросхем за счет предприятий-потребителей, так как в рамках государственных программ, как правило, финансируются разработки микросхем широкого применения.

Сроки реализации проектов на основе БМК или АЦБМК составляют от трех месяцев для несложных изделий до шести-девяти месяцев – для сложных схем, требующих нескольких итераций отладки.

Несмотря на обширную номенклатуру доступных микросхем, за рубежом направление БМК активно развивается, прежде всего в области космических и научных разработок. На рынке представлены такие компании, как Triad Semiconductor (США), eASIC (США), Toshiba (Япония) и др., разработавшие широкую номенклатуру БМК.

В заключение отметим, что полузаказными схемами на основе БМК можно заместить существенную часть номенклатуры импортных микросхем, при этом необходимое время и затраты на разработку и поддержание производства будут существенно меньше по сравнению с альтернативными вариантами. Использование БМК целесообразно для создания значительной части малых, средних и больших универсальных микросхем, для разработки новой аппаратуры с улучшенными характеристиками и для замены выполненных по старым техническим решениям блоков современными компактными на основе БМК.

Литература

  1. Темирбулатов М.С., Эннс В.И. Космическая программа и радиационная стойкость современных интегральных микросхем // Электронная техника. 2015. Вып. 2 (158). С. 105–121. (Серия 3).
  2. www.dcsoyuz.com
  3. www.tcen.ru
  4. www.angstrem.ru
  5. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналого-вых КМОП-микросхем // Краткий справочник разработ-чика. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005.