1.4. Методы проектирования

Разнообразие конструктивно-технологических методов создания БИС обусловлено стремлением не только улучшить их технико-экономические показатели, но и достичь общих целей: минимизировать длительность процесса проектирования, обеспечить проектирование БИС высокой сложности, повысить качество проектирования БИС (главным образом, безошибочность).

Длительность процесса проектирования значительно сокращается при использовании средств вычислительной техники, библиотек компонентов, характеризующих базовый технологический процесс, стандартизации программ и т. д. А это, в свою очередь, сокращает сроки проектирования и производства РЭА.

Классификация методов проектирования. Методы проектирования классифицируются:

1) по способам организации выполнения проектных процедур на экспериментальные (макетирование, физическое моделирование) и теоретические (расчет по аналитическим выражениям, математическое моделирование);

2) по степени автоматизации выполнения проектных процедур (автоматизированные и автоматические). Рассмотрим наиболее распространенные методы в порядке их появления в практике проектирования.

Макетирование. Исходя из требований ТЗ на разрабатываемую БИС выбираются два-три технологических процесса, при которых предположительно могут быть удовлетворены требования ТЗ по функциональным параметрам ИС (БИС). Затем для получения образцов активных компонентов и базовых логических элементов разрабатывается специальная тестовая топологическая схема, в которую должны входить активные компоненты и базовые аналоговые и логические элементы. Обычно такая схема включает специальные тестовые компоненты для контроля параметров физической структуры и ошибок изготовления. С помощью тестовой схемы решаются следующие задачи: выбор нескольких типов геометрических конфигураций активных компонентов и ЛЭ, которые предположительно должны удовлетворять схемотехническим требованиям; накопление статистических данных по параметрам активных компонентов, анализ АЭ и ЛЭ в различных режимах работы; исследование характера и определение параметров паразитных связей между компонентами ИС; контроль процессов изготовления фотошаблонов и фотолитографии и определение минимально допустимых размеров топологических элементов и запасов на совмещение, необходимых при решении топологических задач; выявление систематических ошибок процессов изготовления фотошаблонов и фотолитографии для учета их при разработке топологических схем.

При разработке тестовой схемы необходимо учитывать возможность выбора того или иного технологического метода изготовления БИС. Если ни по одной из имеющихся технологий невозможно спроектировать данную БИС, удовлетворяющую требованиям ТЗ, которые определяются на этапе синтеза и анализа принципиальной электрической схемы, то необходимо сформулировать требования к вновь разрабатываемому технологическому процессу. При этом на основании справочных данных и имеющегося опыта определяются наиболее перспективные для разрабатываемой схемы физико-топологические параметры ИС (геометрия активных и пассивных компонентов, диффузионный профиль).

На полученных образцах активных компонентов собирается макет БИС, который затем исследуется методами, традиционными для обычной схемотехники на дискретных компонентах.

Основные недостатки макетирования: высокая стоимость и значительное время проектирования. Основное достоинство — относительная достоверность результатов.

Физическое моделирование заключается в изучении объектов одной физической природы с помощью объектов, имеющих другую физическую природу, но одинаковое с ними математическое описание. В основе метода лежит принцип подобия (аналогий). Наиболее известным примером является применение электролитических ванн при моделировании поля потенциалов в транзисторной структуре.

Расчет по аналитическим выражениям. Для получения формул, связывающих выходные параметры ИС (функциональные и измеряемые) с внутренними (параметрами компонентов), делаются значительные упрощения (например, экспоненциальные вольт-амперные зависимости считаются линейными).

По сложности расчеты по аналитическим выражениям ориентированы на вычислительную мощность имеющихся в распоряжении каждого разработчика средств — «человеческий мозг, логарифмическая линейка, микрокалькулятор, программируемый микрокалькулятор, персональная ЭВМ и т. д. Основные недостатки данного метода проектирования БИС — высокая трудоемкость вывода формул и, как правило, низкая точность расчетов. Основное достоинство — доступность.

Математическое моделирование. Наиболее существенное отличие этого метода в том, что математические модели БИС получают без или при минимальных упрощениях, и они более адекватно описывают процессы, происходящие в реальных устройствах. Кроме того, при математическом моделировании (и только при нем) можно математически «точно» решать экстремальные и статистические задачи, определяющие качество проектирования.

По степени автоматизации выполнения проектных процедур методы проектирования делятся на автоматизированные и автоматические. Конечно, это деление условно, так как с развитием средств вычислительной техники, а также в связи с успехами вычислительной математики и программирования, роль автоматического проектирования постоянно возрастает. В литературе понятие «автоматическая система проектирования» часто отождествляют с понятием «кремниевый компилятор», хотя это и неверно. Кремниевый компилятор действительно является автоматической системой проектирования БИС, в которой для описания функционирования используют ПЗУ, ПЛМ, ОЗУ, АЛУ, ЗУ с произвольной выборкой и другие типовые блоки. С помощью экспертных систем компилятор может синтезировать БИС в соответствии с заложенными в него правилами. Для описания схемы используют языки высокого уровня (VHDL, Verilog и др.).

Описывать проектируемую БИС можно на различных уровнях: поведенческом (архитектурном), структурном и др. Создание автоматических систем проектирования требует решения ряда сложных проблем: структурного синтеза на всех этапах проектирования БИС, экстракции (восстановления принципиальной электрической схемы по известной топологии), межэтапной верификации и организации взаимосвязанного контроля на всех этапах проектирования, организации поддержания и совершенствования базы знаний, обеспечение возможности моделирования разрабатываемой БИС совместно с другими функциональными узлами в составе сложной технической системы (вычислительной, радиолокационной, радионавигационной и т. д.).

Важной проблемой, которую удалось решить с помощью автоматических систем, является относительно простой переход при проектировании БИС от одних конструктивно-технологических ограничений к другим.

Особенности проектирования ИС. Как правило, принципиальная электрическая схема ИС содержит, помимо функционально необходимых, большое число паразитных компонентов, образующихся при одновременном групповом изготовлении по планарно-эпитаксиальной технологии.

Процесс изготовления ИС приводит к необходимости учитывать в процессе проектирования следующие особенности: параметры компонентов и допуски на них, возникающие за счет технологических разбросов, являются взаимосвязанными; в схемах с изоляцией p-n -переходами образуются паразитные четырехслойные n-p-n-p-структуры, которые могут нарушить работу схемы; трудно изготовить большие емкости и индуктивности; для сокращения площади, занимаемой схемой, необходимо, чтобы была минимальной сумма номинальных сопротивлений и емкостей схемы и т. д.

Различия в стоимости, надежности, габаритах дискретных компонентов наложили отпечаток и на схемотехнику. Например, в схемах на дискретных компонентах более широко используют пассивные компоненты по сравнению с активными, что объясняется их лучшими технико-экономическими показателями. В ИС для достижения тех же показателей чаще используют большое число активных компонентов. В этом смысле интегральная технология открывает новые потенциальные возможности в схемотехнике.

Следующая особенность создания ИС связана с оценкой их работоспособности. Практически невозможно контролировать характеристики ИС путем измерения параметров составляющих ее элементов. Отсюда возникла так называемая проблема тестируемости ИС. Методы обеспечения тестируемости в процессе проектирования ИС условно делят на конструктивные и структурно-логические. Среди конструктивных методов выделяют методы шинной архитектуры, сигнатурного анализа и контрольных точек. Метод шинной архитектуры заключается в обеспечении доступа к любому узлу ИС путем перевода входных шин всех других узлов, за исключением анализируемого, в высокоимпедансное состояние. Сигнатурный анализ осуществляется с помощью сдвигового регистра с линейной обратной связью, подключаемого к выбранному контакту. В этом регистре запускается тестовая программа, в результате получается число-сигнатура, отражающее информацию об исправности схемы. Для локализации неисправного узла следует разрывать меж узловые цепи обратной связи, соблюдая такую последовательность тестирования: сначала основные функциональные узлы, затем периферийные. Суть тестирования методом контрольных точек очевидна. Отметим, что в качестве этих точек можно использовать как свободные внешние контакты, так и специальные контрольные точки на кристалле.

Структурно-логические методы (поуровневого сканирования и контрольных сдвиговых регистров) используют для разработки такой логической структуры схемы, при которой можно задавать и считывать состояния всех элементов схемы. Это принципиально позволяет свести задачу тестирования последовательных схем к тестированию комбинационных схем, которое достаточно хорошо изучено.

Метод поуровневого сканирования состоит в том, что элементы памяти схемы в режиме тестирования соединяются в один сдвиговый регистр, что позволяет задавать и считывать состояние этих элементов. Объединение в единый сдвиговый регистр элементов памяти на кристалле и создание цепей сдвиговых регистров с переходом на более высокий системный уровень позволяют получать тесты для всех уровней системы. Общесистемные тесты формируются путем объединения тестов подсистем. Существуют модификации этого метода: сканирование с произвольной выборкой, избирательное сканирование и др.

В другом методе этой группы предполагается введение контрольных сдвиговых регистров, используемых для тестирования и занесения заданной информации в ячейки памяти БИС.

Существует также комбинированный метод, реализованный с помощью встроенных (аппаратных) средств контроля. В нем по существу соединены методы сигнатурного анализа и поуровневого сканирования. Основная идея заключается в создании набора элементов памяти изменяемой конфигурации (в одном режиме они работают как обычные сдвиговые регистры, в другом — как многовходовые сдвиговые регистры с обратной связью), что приводит к существенному сокращению тестов. Применение структурно-логического подхода для обеспечения тестируемости БИС на стадии проек- тирования является наиболее перспективным.