Техносфера - Полузаказные БИС на БМК серий 5503 и 5507. В 4 кн.:Практическое пособие. Кн. 1. Методология проектирования и освоение производства

Содержание

Базовые матричные кристаллы

Базовые матричные кристаллы.....................................................................1

Нормативно-техническая документация на полузаказные

микросхемы...................................................................................................2

Группы и состав испытаний полузаказных микросхем................................3

Порядок разработки и освоения производства

полузаказной микросхемы............................................................................4

Рекомендации по разработке аппаратуры с применением БМК................5

Пример проектирования полузаказной микросхемы

средствами САПР «Ковчег 3.04»...................................................................6

Раздел 1.

Базовые матричные кристаллы

Особенности полузаказных БИС на основе БМК...............................................1-2

Отечественные БМК и ПЛИС: краткая историческая справка..........................1-4

Конструкции БМК................................................................................................1-6

Порядок разработки БМК....................................................................................1-7

Порядок разработки полузаказных БИС на основе БМК...................................1-8

Основные характеристики серий БМК 5503 и 5507............................................1-9

Основные характеристики....................................................................... 1-10

Электрические параметры....................................................................... 1-11

Предельные режимы эксплуатации......................................................... 1-12

Технологический маршрут изготовления................................................ 1-13

Конструкция БМК серий 5503 и 5507................................................................ 1-16

Базовая ячейка.......................................................................................... 1-19

Периферийная ячейка.............................................................................. 1-22

Каналы трассировки................................................................................. 1-24

Корпусное исполнение....................................................................................... 1-25

Стойкость к воздействию внешних факторов................................................... 1-26

Механические факторы............................................................................ 1-26

Климатические факторы.......................................................................... 1-27

Факторы космического пространства..................................................... 1-27

Библиотека функциональных ячеек.................................................................. 1-27

САПР «Ковчег 3.04»............................................................................................ 1-28

Раздел 2.

Нормативно-техническая документация

на полузаказные микросхемы

Комплекс стандартов на микросхемы..................................................................2-2

Термины и определения.............................................................................2-2

Классификация и обозначения..................................................................2-4

Градации по степеням интеграции.............................................................2-8

Электрические параметры и условия применения...................................2-9

Нормы на характеристики и конструктивно-технологические

запасы..........................................................................................................2-9

Технические условия................................................................................ 2-10

Методы контроля, измерений и испытаний........................................... 2-11

Технологические процессы...................................................................... 2-12

Режимы эксплуатации.............................................................................. 2-12

Комплектность конструкторской документации.............................................. 2-13

Спецификация.......................................................................................... 2-15

Габаритный и сборочный чертежи........................................................... 2-16

Электрические схемы............................................................................... 2-16

Технические условия................................................................................ 2-17

Таблицы..................................................................................................... 2-17

Исходные данные для проектирования................................................... 2-17

Справочный лист...................................................................................... 2-17

Описание образцов внешнего вида.......................................................... 2-18

Программа и методика испытаний.......................................................... 2-18

Ярлык и этикетка...................................................................................... 2-18

Пластина................................................................................................... 2-18

Конструкторская документация на кристалл.......................................... 2-19

Конструкторская документация на полузаказную микросхему....................... 2-19

Карта заказа.............................................................................................. 2-20

Электрическая схема................................................................................ 2-21

Программы контроля............................................................................... 2-21

Порядок разработки конструкторской документации...................................... 2-21

Литерность документации........................................................................ 2-21

Типовой порядок разработки и согласования КД................................... 2-22

Децимальные номера................................................................................ 2-24

Структура кода классификационной характеристики............................ 2-24

Раздел 3.

Группы и состав испытаний полузаказных

микросхем

Группы испытаний полузаказных микросхем.....................................................3-2

Отбраковочные испытания........................................................................3-2

Квалификационные испытания................................................................3-3

Приемо-сдаточные испытания..................................................................3-7

Периодические испытания........................................................................3-9

Испытания на стойкость к воздействию

специальных факторов............................................................................. 3-11

Длительные испытания на безотказность............................................... 3-11

Испытания на гамма-процентный срок сохраняемости......................... 3-11

Типовые испытания.................................................................................. 3-11

Раздел 4.

Порядок разработки и освоения производства

полузаказной микросхемы

Общий порядок разработки полузаказной микросхемы..........................4-2

Заключение договора на разработку микросхемы....................................4-3

Заявка на разработку полузаказной микросхемы...........................4-3

Комплект договорных документов..................................................4-4

Состав выполняемых работ..............................................................4-4

Техническое задание........................................................................4-6

Разработка проекта микросхемы...............................................................4-7

Изготовление опытных партий микросхем для проведения

предварительных и государственных испытаний аппаратуры.................4-8

Организация серийного производства микросхемы.................................4-8

Раздел 5.

Рекомендации по разработке аппаратуры

с применением БМК

Понятие технологии разработки................................................................5-2

Технология БМК.........................................................................................5-3

Методы проектирования..................................................................5-3

Средства проектирования................................................................5-3

Маршрут проектирования полузаказной БИС...............................5-4

Основные этапы разработки аппаратуры по технологии БМК......5-6

Технология ПЛИС–БМК...........................................................................5-7

Методы проектирования..................................................................5-8

Библиотека ячеек ПЛИС.................................................................5-8

Маршрут проектирования...............................................................5-9

Методы реализации проекта ПЛИС в базисе БМК...................... 5-10

Технология БМК – ПЛИС – БМК.......................................................... 5-12

Основные этапы технологии БМК–ПЛИС–БМК....................... 5-13

Конструкция имитаторов БМК..................................................... 5-15

Маршрут проектирования............................................................. 5-16

Рекомендации по разработке электрических схем.................................. 5-17

Общие рекомендации.................................................................... 5-18

Рекомендации по применению триггеров.................................... 5-19

Рекомендации по разработке синхронных схем........................... 5-20

Рекомендации по разработке асинхронных схем......................... 5-21

Рекомендации по разработке комбинационных схем.................. 5-24

Рекомендации по согласованию синхронных

и асинхронных сигналов................................................................ 5-24

Рекомендации по использованию периферийных ячеек............. 5-25

Правила тестирования................................................................... 5-29

Маршрут проектирования полузаказной микросхемы

с применением имитатора........................................................................ 5-32

Этап разработки и функциональной верификации

логической схемы........................................................................... 5-33

Этап разработки топологии........................................................... 5-36

Этап прототипирования и исследования имитатора

в аппаратуре.................................................................................... 5-40

Этап аттестации проекта................................................................ 5-41

Раздел 6.

Пример проектирования полузаказной микросхемы

средствами САПР «Ковчег 3.04»

Определение технических требований......................................................6-2

Разработка структурной схемы..................................................................6-3

Разработка функциональной схемы..........................................................6-4

Блок управления агрегатом морозильной камеры..........................6-4

Блок управления агрегатом холодильной камеры........................ 6-10

Блок управления нагревателем оттайки........................................ 6-11

Модификация схемы блока управления агрегатом

холодильной камеры...................................................................... 6-11

Блок индикации............................................................................. 6-12

Блок формирования частот............................................................ 6-13

Выбор типа БМК............................................................................ 6-14

Разработка логического проекта.............................................................. 6-14

Разработка принципиальных схем................................................ 6-18

Использование типовых подсхем.................................................. 6-25

Разработка подсхем счетчиков на 3 и 5 состояний....................... 6-26

Подсхема защиты от дребезга........................................................ 6-30

Подсхема счетчика на 24 часа........................................................ 6-32

Подсхема управления заморозкой................................................. 6-34

Подсхема защиты от повторного пуска......................................... 6-36

Блок управления агрегатом морозильной камеры........................ 6-38

Блок управления агрегатом холодильной камеры........................ 6-40

Блок управления нагревателем оттайки........................................ 6-41

Блок индикации............................................................................. 6-42

Блок формирования частот............................................................ 6-43

Разработка головной схемы проекта микросхемы........................ 6-46

Разработка контрольно-диагностических тестов......................... 6-47

Контроль качества тестов............................................................... 6-52

Подготовка информации для имитатора микросхемы................. 6-53

Разработка топологии микросхемы......................................................... 6-53

Задание цветов фона подсхем........................................................ 6-54

Размещение выводов БИС............................................................. 6-54

Планировка поля БМК.................................................................. 6-54

Размещение ячеек на поле БМК.................................................... 6-55

Анализ таблицы отклонений......................................................... 6-57

Синтез топологии........................................................................... 6-57

Оптимизация топологии................................................................ 6-58

Контроль топологии....................................................................... 6-59

Подготовка проекта микросхемы к изготовлению................................. 6-59

Расчет задержек.............................................................................. 6-59

Аттестация проекта микросхемы................................................... 6-59

Формирование программы контроля............................................ 6-61

Разработка конструкторской документации........................................... 6-62

Предисловие
Для аппаратуры космического назначения при всей важности экономиче-
ских показателей определяющими требованиями являются высокая надежность,
долговечность, повышенная стойкость к внешним воздействующим факторам
(ВВФ), низкое энергопотребление, высокая функциональность, оперативность
разработки и возможность изготовления в заданные сроки, длительный период
поддержания производства. Непрерывное обновление и расширение номенкла-
туры и ассортимента радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) требует разработки
специализированных микросхем. При этом потребность в специализированных
микросхемах конкретных типов может быть крайне низкой и составлять сотни
и даже десятки микросхем. Кроме того, для подавляющего большинства аппара-
туры космического назначения обязательным условием является применение от-
ечественной электронной компонентной базы (ЭКБ).
Специализированные микросхемы можно разделить на три группы: заказ-
ные микросхемы, программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и
полузаказные большие интегральные схемы (БИС) на основе базовых и базовых
матричных кристаллов. Принято считать, что полностью заказные микросхемы
обеспечивают максимальную функциональность, надежность и стойкость к ВВФ,
минимальную стоимость при массовом производстве, но требуют максимальных
затрат при разработке и освоении производства, поэтому для производства малых
партий БИС экономически не эффективны. ПЛИС, обладая преимуществами
при разработке микросхемы, в то же время за счет наличия дополнительных эле-
ментов для программирования их структуры, снижающих надежность микросхем,
имеют более высокое энергопотребление и более высокую стоимость по сравне-
нию с заказными БИС. Полузаказные большие интегральные схемы (БИС) зани-
мают промежуточное положение между полностью заказными микросхемами и
ПЛИС. По показателям надежности, энергопотребления и стойкости к ВВФ они
сравнимы с заказными БИС, по длительности цикла «разработка – изготовле-
ние – поставка» сопоставимы с циклом «разработка – поставка – специализация»
для ПЛИС. Это достигается благодаря применению методов прототипирования
проекта полузаказной БИС средствами имитатора базового матричного кристал-
ла (БМК) на ПЛИС. Производство полузаказных БИС наиболее эффективно при
изготовлении малых и средних партий микросхем и может поддерживаться в те-
чение длительного срока – более 15 лет.
Выбор способа реализации специализированных БИС определяется мно-
жеством критериев, но, как правило, именно полузаказные БИС обеспечивают
наилучшее соотношение эксплуатационных показателей и затрат на разработку
и освоение.
Базовый матричный кристалл (англ. Uncommited Logic Array, ULA) – это уни-
версальная заготовка в виде кремниевой пластины, на которой сформированы
кристаллы с матрицей транзисторных структур. Такие кристаллы называют базо-
выми, поскольку все фотошаблоны для их изготовления, за исключением слоев
металлизации, являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Про-
стейшие элементы (КМОП транзисторы) располагаются на БМК в виде регуляр-
ной матрицы, поэтому его называют матричным.
В отличие от ПЛИС, логика работы которых задается посредством программ-
но управляемых элементов, БМК специализируется технологически в процессе
микроэлектронного производства путем формирования соединений транзисто-
ров на поле БМК в одном или нескольких слоях металлизации. В сравнении с
ПЛИС в структуре БМК отсутствуют избыточные элементы, что в несколько раз
снижает общую сложность микросхемы, повышая ее надежность.
Кроме того, необходимо отметить следующие преимущества БМК:
– развитая библиотека функциональных ячеек и типовых схемотехнических
решений значительно упрощает процесс разработки логического проекта, умень-
шает время и повышает качество проектирования;
– в составе одного БМК могут быть реализованы как цифровые, так и циф-
роаналоговые узлы и блоки;
– БМК имеют фиксированную геометрическую структуру, что значительно
упрощает автоматическое размещение ячеек и синтез топологии БИС;
– формирование БИС на БМК выполняется с помощью малого числа фото-
шаблонов, что значительно уменьшает сроки изготовления и затраты при произ-
водстве БИС;
– БИС, разработанные на основе БМК, не требуют проведения квалифика-
ционных испытаний, что существенно сокращает сроки и стоимость освоения их
в производстве.
Таким образом, при выборе отечественной элементной базы для создания
новой аппаратуры космического назначения необходимо учитывать, что универ-
сальные БИС не обеспечат реализацию эффективных схемных решений, а раз-
работка заказных микросхем и их освоение в производстве потребуют существен-
ных финансовых и временных затрат. Применение же полузаказных микросхем
на основе БМК обеспечит быструю реализацию необходимых микросхем требу-
емого уровня качества, при этом экономическая эффективность изготовления
микросхем будет достигнута для партий размером от единиц до сотен тысяч штук.
Благодаря указанным преимуществам для аппаратуры космического назначения
на данный момент БИС на основе БМК не имеют альтернативы.
Серия практических пособий в 4 книгах под общим названием «Полузаказ-
ные БИС на БМК серий 5503 и 5507» позволяет изучить методологию проекти-
рования микросхем на основе указанных серий БМК, освоенных в производстве
и разрешенных к применению в аппаратуре космического назначения, содержит
необходимые сведения для организации процесса разработки и позволяет полу-
чить практические навыки в разработке полузаказных БИС.
Книга 1 «Методология проектирования и освоение производства» посвяще-
на теоретическим основам разработки полузаказных микросхем на основе БМК.
В ней описаны конструкция и технология изготовления БМК серий 5503 и 5507,
назначение и область применения полузаказных микросхем, приведены основные
характеристики БМК. Отдельный раздел книги посвящен методологии разработ-
ки БИС, в том числе маршруту и методике проектирования микросхем, средствам прототипирования полузаказных БИС. Рассмотрены нормативная техническая
документация, виды и состав испытаний микросхем.
В качестве примера для получения практических навыков по методике проек-
тирования детально описан процесс разработки средствами САПР «Ковчег 3.04»
микросхемы управления бытовым двухкамерным холодильником и морозильни-
ком, от формирования технических требований к микросхеме до подготовки кон-
структорской документации для ее изготовления.
Книга 2 «Система автоматизированного проектирования «Ковчег 3.04» со-
держит описание САПР «Ковчег 3.04», предназначенной для разработки полуза-
казных КМОП БИС на основе БМК серий 5503 и 5507. В ней приведены типо-
вые проектные процедуры, используемые при разработке специализированных
КМОП микросхем на основе БМК, детально описаны меню, параметры и ко-
манды подсистем САПР, обеспечивающие разработку и подготовку БИС к про-
изводству: графический редактор схем, редактор описания схем в формате Verilog
Netlist, подсистема функционально-логического моделирования, подсистема
размещения ячеек на поле БМК, подсистемы синтеза и оптимизации топологии,
специализированный топологический редактор, подсистемы верификации и рас-
чета параметров топологии, подсистема анализа устойчивости проекта, средства
обеспечения оперативного прототипирования БИС с помощью имитатора и др.
В книге 3 «Библиотека функциональных ячеек» приведено описание унифи-
цированных библиотек функциональных ячеек 5503 и 5503+ для проектирования
средствами САПР «Ковчег» различных интегральных микросхем на основе БМК
серий 5503 и 5507. Рассмотрены особенности функциональных ячеек, представ-
лена система буквенных обозначений, состав групп ячеек. В алфавитном порядке
представлены описания функциональных ячеек, включающие имя ячейки, гра-
фический образ, описание функционирования, таблицу истинности, расчетные
значения задержек распространения сигналов, рекомендуемые значения нагру-
зочной способности выходов, топологический размер ячейки и др. В отдельном
разделе описаны аналоговые и цифроаналоговые ячейки, такие как компараторы,
операционные усилители, и другие ячейки специального назначения.
Книга 4 «Библиотека ячеек для проектирования самосинхронных полуза-
казных микросхем» содержит описание унифицированной библиотеки функцио-
нальных ячеек 5503СС, предназначенной для проектирования средствами САПР
«Ковчег» самосинхронных интегральных микросхем на основе БМК серий 5503 и
5507. В книге представлена система буквенных обозначений, состав групп ячеек,
в алфавитном порядке представлены описания самосинхронных ячеек.
Самосинхронные схемы характеризуются рядом параметров, выгодно отли-
чающих их от синхронных и асинхронных схем, в том числе устойчивостью функ-
ционирования к разбросу параметров технологии изготовления БИС, отклонени-
ям параметров элементной базы из-за старения элементов, изменения температу-
ры, напряжения источника питания и других внешних факторов.
Учитывая относительную новизну самосинхронных схем, в книге 4 подроб-
но рассмотрены основные принципы и методы проектирования самосинхронных
схем, приведены потенциальные преимущества самосинхронных схем и причи-
ны медленного развития самосинхронной схемотехники, на качественном уровне
описываются различия синхронных, асинхронных и самосинхронных схем. При-
ведена классификация самосинхронных схем, изложены основные принципы
проектирования комбинационных и последовательностных схем, подробно рас-
смотрены вопросы конвейеризации самосинхронных схем, реализации отказоу-
стойчивости самосинхронных схем и оптимизации их энергопотребления, а так-
же ограничения при проектировании самосинхронных схем и организация интер-
фейса между синхронными и самосинхронными схемами, изложено руководство
по квалификационному анализу разработанных схем на предмет их соответствия
принципам самосинхронности.
Промышленная версия САПР «Ковчег 3.04» доступна для свободного копи-
рования на нашем сайте (http://www.asic.ru). Приобретя книги серии, читатель
сможет создать на своем компьютере полноценное рабочее место для разработки
БИС на БМК серий 5503 и 5507, которые могут быть изготовлены на микроэлек-
тронном производстве НПК «Технологический центр» (www.asic.ru).
Авторы надеются, что выпуск серии практических пособий «Полузаказные
БИС на БМК серий 5503 и 5507» будет способствовать подготовке инженеров –
специалистов в области разработки БИС и аппаратуры на их основе. Авторы будут
признательны всем читателям, которые пришлют свои замечания и предложения
по содержанию книг серии по адресу: kovcheg@asic.ru.

Введение
Предлагаемая вашему вниманию книга посвящена процессу создания полу-
заказных микросхем на основе БМК и содержит шесть разделов. Каждый раздел
имеет самостоятельное оглавление и составную нумерацию страниц, включаю-
щую номер раздела и номер страницы в пределах раздела. Рисунки также имеют
составные номера.
• Раздел 1. Базовые матричные кристаллы
Раздел содержит общие сведения о базовых матричных кристаллах, инфор-
мацию об отечественных БМК, выпускаемых в настоящее время. Также в разделе
описаны конструкции БМК серий 5503 и 5507, технология их изготовления, при-
ведены основные электрические параметры, описан маршрут проектирования
БИС и аппаратуры с применением имитаторов БМК.
• Раздел 2. Нормативно-техническая документация на полузаказные микро-
схемы
Раздел включает сведения о нормативно-технической документации, регла-
ментирующей требования к микросхемам, составу и назначению конструктор-
ской документации, необходимой при производстве полузаказных микросхем.
• Раздел 3. Группы и состав испытаний полузаказных микросхем
Раздел посвящен группам и составу испытаний, гарантирующим качество
микросхем в процессе их разработки и производства.
• Раздел 4. Порядок разработки и освоения производства полузаказной микро-
схемы
В разделе рассмотрены порядок разработки полузаказной микросхемы, взаи-
модействие заказчика и исполнителя в процессе разработки и освоения серийно-
го выпуска микросхем.
• Раздел 5. Рекомендации по разработке аппаратуры с применением БМК
Раздел посвящен методологии разработки полузаказных микросхем, прави-
лам проектирования и средствам прототипирования.
• Раздел 6. Пример проектирования полузаказной микросхемы средствами
САПР «Ковчег 3.04»
В разделе приведен пример разработки полузаказной микросхемы средствами
САПР «Ковчег». Детально описан весь процесс разработки микросхемы управле-
ния бытовым двухкамерным холодильником и морозильником, от формирования
технических требований к микросхеме до подготовки конструкторской докумен-
тации для ее изготовления.

Особенности полузаказных БИС на основе БМК
Микроэлектроника является одной из отраслей промышленности, опреде-
ляющих научно-технический прогресс человеческого общества. Большинство
процессов, связанных с развитием микроэлектроники, носит явно выраженный
экспоненциальный характер, а темпы развития таковы, что подобных им еще
не знало человечество. В отличие от обычных отраслей промышленности, где раз-
работка более быстрого и лучшего устройства с удвоенными функциональными
возможностями обычно удваивает стоимость разработки и производства изделия,
в микроэлектронике справедливо обратное: переход на новые (меньшие) техноло-
гические нормы приводит к удешевлению с одновременным увеличением функ-
циональных возможностей интегральных микросхем.
В этих условиях актуальной становится задача ускорения темпов разработ-
ки ЭКБ для современной РЭА, особенно БИС, которые можно разделить на два
основных класса: универсальные и специализированные микросхемы. К первому
Этот подход, однако, не получил широкого распространения из-за неэффективно-
го использования площади кристалла, вызванного фиксированным расположени-
ем функциональных элементов и длинными связями коммутации.
Другой подход, основанный на частичной унификации топологии интеграль-
ных микросхем, состоял в проектировании схем на основе набора типовых ячеек.
В данном случае унификация состояла в разработке библиотеки функциональных
элементов в виде топологии типовых ячеек, имеющих стандартизованные огра-
ничения на размеры, например фиксированную ширину ячеек. Благодаря этому
процесс проектирования сводился к размещению в виде линеек типовых ячеек,
соответствующих функциональным элементам схемы, к размещению этих линеек
на кристалле и к соединению элементов в промежутках между линейками. Ши-
рина таких промежутков, называемых каналами, определялась в процессе трасси-
ровки. Хотя при данном подходе за счет унификации топологии ячеек упростился
процесс проектирования, кристалл уже не являлся базовым, поскольку комплект
фотошаблонов для каждой микросхемы был уникальным.
Современные полузаказные схемы обычно реализуются на БМК. Базовый
матричный кристалл представляет собой регулярное поле не соединенных между
собой простейших базовых элементов (отдельных транзисторов или групп тран-
зисторов), окруженное областью периферийных контактов. Указанные простей-
шие элементы расположены на кристалле матричным способом, т.е. в узлах ре-
гулярной прямоугольной сетки. Как и в схемах на типовых ячейках, имеется би-
блиотека функциональных ячеек, топологии которых фиксированы и реализуют
достаточный для построения схем набор логических функций. Однако в данном
случае любая ячейка за счет регулярного расположения простейших элементов
может быть размещена в любом месте поля БМК, а для освоения конкретной
БИС в производстве требуется спроектировать и изготовить фотошаблоны слоев
коммутации и отладить программы контроля на контрольно-измерительном обо-
рудовании.
Таким образом, БМК пришли на смену микросхемам малой и средней степе-
ни интеграции и имеют в сравнении с ними неоспоримые преимущества:
• уменьшение габаритов аппаратуры за счет снижения количества использу-
емых микросхем и уменьшения размеров печатных плат;
• повышение технических характеристик за счет увеличения системного бы-
стродействия и сокращения потребляемой мощности;
• повышение надежности изделия за счет более высокой надежности БИС;
• возможность объединения в полузаказной микросхеме на основе БМК
цифровой и аналоговой обработки информации;
• обеспечение защиты разработки за счет применения полузаказных микро-
схем, электрическую схему которых сложно повторить;
• возможность мелкосерийного выпуска БИС и др.
Область применения конкретного БМК определяется многими фактора-
ми – размером поля БМК, количеством внешних выводов, параметрами на-
дежности и устойчивостью к ВВФ, параметрами технологии и технологически-
ми нормами, конструкцией ячеек поля БМК и периферийных ячеек, составом
библиотеки функциональных ячеек, эффективностью и доступностью средств
проектирования, сроками и стоимостью разработки, изготовления и поставки
микросхем и др.
Основные достоинства БМК заключаются в снижении стоимости и сроков
проектирования в сочетании с высокими эксплуатационными параметрами. По-
явление на рынке ПЛИС значительно расширило возможности разработчиков
аппаратуры и составило конкуренцию БМК при создании изделий, на которые
не распространяются ограничения по применению импортной элементной базы.
Однако для аппаратуры космического назначения полузаказные микросхемы
на основе БМК на данный момент не имеют альтернативы. При этом следует
иметь в виду, что эксплуатационные параметры БМК значительно превосходят
аналогичные параметры ПЛИС индустриального исполнения, импортные ПЛИС
военного и космического исполнения в нашу страну не поставляются, а номен-
клатура отечественных ПЛИС весьма ограничена (краткая характеристика отече-
ственных ПЛИС приведена ниже).
Отечественные БМК и ПЛИС: краткая историческая
справка
Наиболее активное развитие в нашей стране БМК получили в 1980-е гг. Прак-
тически на всех предприятиях, производящих микросхемы, были разработаны
свои БМК, однако многие из них по разным причинам так и не были освоены
в производстве.
Кризис 1990-х гг. привел к снижению номенклатуры выпускаемой элемент-
ной базы, в том числе БМК. Тем не менее направление БМК сохранилось и про-
должало развиваться. Отечественные БМК, разработанные до 2000 г., вошедшие
в МОП 44 001.02 Перечень изделий, разрешенных к применению в аппаратуре
космического назначения, и выпускаемые до настоящего времени, приведены
в табл. 1.1.
Новый век принес новые возможности. В настоящее время на отечественном
рынке существует высокая потребность в полузаказных микросхемах нового по-
коления для различной аппаратуры аэрокосмического, научного, военного назначения, систем связи и промышленной автоматики. Учитывая высокую сложность
данной аппаратуры, для реализации современных специализированных микро-
схем необходимы БМК с объемом более 1 000 000 эквивалентных вентилей.
За последние годы было разработано большое количество новых, современ-
ных БМК (табл. 1.2), созданы новые производства, расширена номенклатура при-
меняемых типов корпусов, созданы эффективные средства проектирования. В та-
блице серым цветом обозначены серии БМК, выпускаемые нашим предприятием
НПК «Технологический центр». Более подробную информацию по ним можно
найти на сайте www.asic.ru.
классу относятся микропроцессоры, микроконтроллеры, периферийные устрой-
ства, устройства памяти (ПЗУ, ОЗУ и т.д.), серии стандартных микросхем и др., т.е.
микросхемы, объем производства которых составляет сотни тысяч и миллионы
штук в год. Большие объемы выпуска универсальных микросхем минимизируют
вклад в их стоимость относительно больших затрат на проектирование и освоение
в производстве.
Микросхемы, принадлежащие ко второму классу, при объеме производства
до нескольких десятков тысяч в год, выпускаются для удовлетворения нужд от-
дельных отраслей промышленности и конкретных типов РЭА. Значительная
часть стоимости таких микросхем определяется затратами на их проектирование.
Особую группу среди специализированных микросхем занимают БИС, при-
меняемые в аппаратуре космического назначения и эксплуатируемые в услови-
ях действия жестких ВВФ. Как правило, номенклатура таких микросхем велика,
сроки разработки аппаратуры ограничены, а серийность в силу специфики аппа-
ратуры не превышает нескольких тысяч, а иногда сотен микросхем. Производство
специализированных микросхем обычно имеет прерывистый характер, а основ-
ной вклад в их стоимость вносят затраты на освоение производства и проведение
квалификационных и периодических испытаний для подтверждения уровня ка-
чества микросхем.
Вследствие этого возникла необходимость в разработке новых подходов к про-
ектированию БИС, направленных на уменьшение сроков и снижение стоимости
проектирования и производства. В результате появились так называемые полу-
заказные интегральные микросхемы, в основе которых лежит унифицированная
конструкция кристалла-заготовки. Первые схемы, созданные по этому принципу,
были разработаны в 1960-х гг. Они изготавливались на унифицированном кристалле
с фиксированным расположением функциональных элементов (транзисторов, ре-
зисторов, конденсаторов и др.). При этом проектирование заключалось в создании
схемы из имеющегося на кристалле и доступного к применению ограниченного со-
става функциональных элементов, задании соответствия элементов схемы их распо-
ложению на кристалле и проведении межсоединений между ними. Кристалл полу-
чил название «базовый», поскольку все фотошаблоны для его изготовления, кроме
слоев коммутации, являлись постоянными и не зависели от реализуемой схемы.
В настоящее время рядом ведущих отечественных предприятий (АО «КТЦ
«Электроника», ПАО «Микрон», АО «Ангстрем», АО «ПКК «Миландр») актив-
но развивается разработка отечественных ПЛИС. По состоянию на 2017 г. были
освоены в производстве 11 типов ПЛИС, основные характеристики которых при-
ведены в табл. 1.3.
Конструкции БМК
Наибольшее распространение в настоящее время имеют БМК на КМОП
структурах, реализованные либо на объемном кремнии, либо на структурах «крем-
ний на изоляторе» (КНИ).
В конструкции БМК можно выделить регулярное поле, окруженное областью
периферийных контактов. Для определения размера поля БМК используется по-
нятие «эквивалентный вентиль». Один эквивалентный вентиль соответствует че-
тырем КМОП транзисторам, на которых можно реализовать логическую функ-
цию 2И-НЕ или 2ИЛИ-НЕ. При этом необходимо различать фактический размер
поля и количество эквивалентных вентилей, которые могут быть использованы
при реализации конкретной микросхемы. Отношение использованных эквива-
лентных вентилей к размеру поля БМК называется коэффициентом заполнения.
Сложность реализуемых на БМК микросхем определяется различными фак-
торами: наличием многовыводных корпусов, возможностями охлаждения ми-
кросхем в аппаратуре, эффективностью средств проектирования и т.д. Реально
не удается использовать все 100% поля БМК. При заполнении БМК не более чем
на 70%, как правило, удается спроектировать топологию автоматически средства-
ми САПР без вмешательства разработчика. При большем заполнении топология
разрабатывается в интерактивном режиме с участием разработчика. Увеличение
плотности заполнения усложняет процесс проектирования, но в результате может
быть использован меньший кристалл, производство которого будет дешевле. По-
этому обычно БМК разрабатывают сериями. Серию составляют несколько кон-
структивно подобных кристаллов с различным размером поля БМК, количеством
внешних выводов и имеющих общую библиотеку функциональных ячеек. Размер
поля БМК увеличивается примерно вдвое для каждого большего по размеру типа
БМК в серии. Серии БМК также могут состоять из нескольких конструктивных
исполнений одного типоразмера кристалла, изготовленных в различных типах
корпусов.
Конструкция БМК, как правило, строится на топологических ячейках, вклю-
чающих четыре КМОП транзистора – две комплементарные пары (два транзи-
стора n-типа и два транзистора p-типа). Подобные ячейки позволяют эффективно
использовать ресурсы БМК и реализовывать любые схемотехнические решения.
Однако встречаются БМК с разногабаритными ячейками или с регулярно повто-
ряющимися транзисторными структурами.
По конструкции поля наибольшее распространение получили БМК, имею-
щие канальную организацию, и БМК типа «море вентилей». При канальной ор-
ганизации поле БМК представляет собой последовательность столбцов или строк
ячеек и каналов для трассировки (рис. 1.1а). При организации по типу «море
вентилей» поле БМК представляет собой сплошную регулярную структуру одно-
типных ячеек (рис. 1.1б). Иногда в БМК используют в качестве дополнительно-
го слоя коммутации отрезки поликремния, которые располагают в промежутках
между ячейками. Подобное использование поликремния улучшает разводимость
БМК, увеличивает максимальный коэффициент заполнения, но усложняет про-
ектирование, так как использование поликремния может существенно увеличить
задержки распространения сигналов в топологии.
Порядок разработки БМК
Разработке полузаказных микросхем предшествует этап разработки и осво-
ения в производстве БМК, который выполняется в форме опытно-конструктор-
ской работы (ОКР) в соответствии с ГОСТ РВ 15.215. При этом решается целый
комплекс проектных, технологических, технических и производственных задач,
выпускается комплект конструкторской и технологической документации, а ре-
зультаты разработки подтверждаются квалификационными испытаниями.
При разработке БМК можно выделить следующие основные виды работ:
• определение области применения (народно-хозяйственное или специаль-
ное назначение) и основных технических требований на БМК (напряжение пита-
ния, требования по устойчивости к статическому электричеству, климатическим,
механическим, космическим факторам, надежности и др.);
• разработка технического задания (ТЗ) на ОКР либо в соответствии с требо-
ваниями ГОСТ 18725 для микросхем народно-хозяйственного назначения, либо
в соответствии с требованиями ОСТ В 11 0998 и ГОСТ РВ 15.201 для микросхем
космического применения;
• выбор или разработка технологии изготовления БИС на основе БМК, обе-
спечивающей выполнение требований ТЗ на БМК;
• разработка конструкции и топологии БМК, включая разработку топологии
ячейки поля БМК и периферийной ячейки «ввода/вывода», контактов «ЗЕМЛЯ»,
«ПИТАНИЕ»;
• выбор или разработка корпуса, в котором будет выполняться поставка ми-
кросхем;
• разработка библиотеки функциональных ячеек, которая включает базовые
функциональные ячейки и составные ячейки, реализованные на основе базовых;
• разработка и настройка на конструкцию и библиотеку БМК средств про-
ектирования БИС;
• разработка рабочей конструкторской и технологической документации,
необходимой и достаточной для изготовления опытной партии микросхем;
• разработка аттестационной БИС, которая должна включать все базовые
функциональные ячейки и иметь максимально достижимый коэффициент запол-
нения поля БМК;
• подготовка производства БИС, включая разработку необходимой техноло-
гической оснастки для изготовления и проведения испытаний микросхем;
• изготовление опытной партии аттестационной БИС;
• проведение квалификационных испытаний опытной партии аттестацион-
ной БИС с целью подтверждения параметров, указанных в технической докумен-
тации на БМК;
• утверждение после коррекции по результатам проведения квалификацион-
ных испытаний комплектов конструкторской и технологической документации;
• включение БМК в перечень изделий, разрешенных к применению в аппа-
ратуре космического назначения.
ОКР по разработке БМК по срокам и стоимости сопоставима с ОКР на раз-
работку заказной БИС. Однако указанные в технических условиях на БМК пара-
метры, подтвержденные при проведении квалификационных испытаний, распро-
страняются без проведения дополнительных испытаний на все БИС, в последую-
щем разработанные на основе данного БМК. Именно за счет этого удешевляется
и ускоряется процесс проектирования и освоения БИС в производстве, так как все
наиболее дорогостоящие и длительные процедуры проектирования, подготовки
производства и испытаний уже выполнены при проведении ОКР по разработке
БМК.
Как правило, в рамках ОКР разрабатывается не один, а несколько типов
БМК, различающихся размером поля, количеством внешних выводов и типом
корпуса. БМК, составляющие одну серию, являются конструктивно-подобными
изделиями, что позволяет распространять многие результаты квалификационных
и периодических испытаний старших типов БМК на всю серию.

Порядок разработки полузаказных БИС на основе БМК
Порядок разработки полузаказных микросхем регламентируется ГОСТ 27394
«Микросхемы интегральные полузаказные и заказные. Порядок разработки и де-
ления работ между Исполнителем и Заказчиком».
Для проектирования полузаказной БИС выбирается тип БМК, имеющий до-
статочный для реализации схемы размер поля и количество внешних выводов,
а также тип корпуса и параметры устойчивости к внешним воздействующим фак-
торам, соответствующие области применения БИС.
Процесс проектирования микросхемы включает следующие этапы:
• разработка ТЗ на полузаказную БИС;
• разработка логической схемы БИС в базисе библиотеки функциональных
ячеек выбранной серии БМК;
• разработка функциональных тестов для проверки логической схемы БИС
на соответствие требованиям ТЗ;
• разработка контрольно-диагностических тестов для разбраковки БИС
в процессе производства;
• размещение ячеек «ввода-вывода» и ячеек логической схемы БИС на поле
БМК;
• синтез топологии БИС;
• аттестация проекта БИС на устойчивость к разбросу параметров техноло-
гии изготовления БИС и влиянию ВВФ;
• прототипирование проекта микросхемы средствами имитатора, исследо-
вание функционирования имитатора БИС в аппаратуре заказчика;
• коррекция проекта микросхемы и изготовление макетных образцов БИС;
• исследование функционирования макетных образцов БИС в аппаратуре
заказчика, коррекция по результатам исследования проекта микросхемы;
• разработка проекта карты заказа и программы контроля для организации
измерений БИС в процессе производства;
• изготовление опытной партии БИС;
• испытание микросхем опытной партии БИС в аппаратуре заказчика,
оформление заключения о возможности применения полузаказной микросхемы
в аппаратуре и готовности БИС к серийной поставке;
• утверждение карты заказа на полузаказную БИС и внесение обозначения
микросхемы в таблицу серийно поставляемых микросхем в технические условия
(ТУ) на БМК.
Из представленного выше перечня работ видно, что процесс проектирования
БИС нацелен на оперативное решение задач по разработке конкретной аппарату-
ры и минимизации рисков заказчика.
Основные характеристики серий БМК 5503 и 5507
Серии БМК 5503 и 5507 нашли наибольшее распространение в аппаратуре
космического назначения. На БМК этих серий разработано более 600 типов БИС,
в том числе для космических аппаратов и кораблей: «Прогресс-М», «Союз-ТМА»,
«Меридиан», «Лабиринт», «Пион», «Аркон-2», «Электра», «Луч», «ГЛОНАСС-М»,
«ГЛОНАСС-К», «Кондор», «Экспресс», «Электро-Л», «Спектр-Р», «КазСат-2»,
системы управления разгонным блоком «Бриз-М» и др. (рис. 1.2).
Серии БМК 5503 и 5507 являются полными конструктивными и функцио-
нальными аналогами, изготавливаются по КМОП технологии, состоят из девя-
ти типов БМК каждая и отличаются только напряжением питания. Серия БМК
5503 имеет напряжение питания 5 В±10%, среднее время задержки на вентиль
не более 2,0 нс. Напряжение питания микросхем серии 5507 составляет 3 В±10%,
среднее время задержки на вентиль не более 3,5 нс. Обе серии БМК введены
в МОП 44 001.02 Перечень изделий, разрешенных к применению в аппаратуре
космического назначения.
а – Серии космических аппаратов «Экспресс», «Глонасс», «Электро-Л», «Спектр-Р» и др.;
б – разгонный блок «Бриз-М» (более 100 пусков); в – космический корабль «Прогресс-М»
(более 40 пусков); г – космический корабль «Союз-ТМА» (более 30 пусков)
Основные характеристики
Состав серий БМК 5503 и 5507 приведен в табл. 1.4.
Различают номинальные значения электрических параметров микросхем,
предельно допустимые и предельные режимы эксплуатации микросхем. Номи-
нальные значения электрических параметров контролируются при изготовлении
и поставке микросхем, гарантируются в процессе их эксплуатации в режимах
и условиях, допускаемых ТУ.
Электрические параметры
Номинальные значения электрических параметров микросхем, изготовлен-
ных на основе БМК серии 5503, представлены в табл. 1.5. Номинальное значение
напряжения питания UСС = ±5 В.
Устойчивость микросхем серий 5503 и 5507 к воздействию электростатиче-
ского потенциала составляет не менее 1000 В.
Предельные режимы эксплуатации
Предельно допустимые режимы эксплуатации – это внешние по отношению
к микросхеме электрические параметры, в пределах значений которых допускает-
ся эксплуатация микросхемы. Превышение предельных режимов может привести
к отказу микросхемы (табл. 1.7 и 1.8).