Импортозамещение ЭКБ: Базовые матричные кристаллы

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.

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.

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:

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

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.