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ASIC 的可编程器件实现方法 微电子与光电子研究所

第七讲. ASIC 的可编程器件实现方法 微电子与光电子研究所. 韩雁 2014 年 4 月. 电路实现形式及与成本的考量. 对于数量较大的专用集成电路 采用版图设计的方法 （亦称 掩膜法 ） 进行批量生产较为合理 全定制法与标准单元法 均属于 掩膜法。 但当数量较小 , 或仅是为某些样机研制样片 用 可编程器件 法实现 , 将是更合理的选择。. 可编程器件与现场可编程器件. 可编程器件家族 可编程只读存储器 ROM 系列 可编程逻辑器件 PLD 系列 规模和功能都上了一个档次的 CPLD 系列 现场可编程门阵列 FPGA 系列

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ASIC 的可编程器件实现方法 微电子与光电子研究所

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  1. 第七讲 ASIC的可编程器件实现方法微电子与光电子研究所 韩雁 2014年4月

  2. 电路实现形式及与成本的考量 • 对于数量较大的专用集成电路 • 采用版图设计的方法 （亦称掩膜法） 进行批量生产较为合理 • 全定制法与标准单元法 均属于掩膜法。 • 但当数量较小, 或仅是为某些样机研制样片 • 用可编程器件法实现, 将是更合理的选择。 浙大微电子

  3. 可编程器件与现场可编程器件 • 可编程器件家族 • 可编程只读存储器ROM系列 • 可编程逻辑器件PLD系列 • 规模和功能都上了一个档次的CPLD系列 • 现场可编程门阵列FPGA系列 • 可编程器件的编程方法 • 工厂的部分掩膜编程方法 可编程ROM系列中的ROM和可编程逻辑器件中的PLA • 用户的现场编程方法 除上面两类的其它器件 • 用户现场编程方法有着十分明显的优越性, 具有十分强大的生命力和发展潜力。 浙大微电子

  4. 1、可编程只读存储器ROM系列 • ROM（Read Only Memory） • PROM（Programmable ROM） • EPROM（Erasable PROM ） • EEPROM/E2PROM（Electrical EPROM ） 浙大微电子

  5. ROM (工厂掩膜编程) 问题： 能读出0电平吗？ 浙大微电子

  6. PROM（用户现场编程） 熔丝型PROM单元结构 结破坏型PROM单元结构 称为一次性可编程只读存储器 问题：会不会整个字节都被编程为“1”或“0”？ 如何避免？ 浙大微电子

  7. 几种编程技术 • 熔丝（Fuse）技术 是用熔丝作为开关元件，这些开关元件在未编程时处于连通状态，加电编程时，在不需要连接处将熔丝熔断，最终形成的熔丝模式决定了整个器件的逻辑功能（前页左）。 2. 反熔丝（Anti-Fuse）技术 也称熔通技术，这类器件是用逆熔丝作为开关元件。这些开关元件在未编程时处于开路状态，编程时，在需要连接处的开关元件两端加上编程电压将其融通（前页右）。 浙大微电子

  8. EPROM （可擦除式现场编程） 采用可逆工作机理的“浮栅”雪崩注入MOS电路 写入1： D端加高压，S端接地。雪崩击穿，隧道效应，浮栅中电子隧穿跑出，剩下正电荷，形成反型层沟道 读出：字线加高电平 擦除： 紫外光的照射可使浮栅上的电荷获得能量, 穿过绝缘层, 跑回衬底 称为光可擦除式（可多次进行） 浮栅结构，写入前全0 浙大微电子

  9. EEPROM （电可擦除式现场编程） 写入0： D端G端同时加高压，S端接地。 雪崩击穿，隧道效应，浮栅积累负电荷，阻碍反型层沟道的形成。 读出： D端G端同时加高电平 擦除： D端加高压, G加0V, 雪崩击穿发生, 正电荷注入浮栅中和负电荷, 存储 单元由“0”变为“1”。 可多次进行 叠栅结构， 写入前全1 浙大微电子

  10. Flesh Memory 1 0 数据线 1 1 0 高阻浮空 浙大微电子

  11. 关于位线电压VD的产生电路 • 工艺角PVT包括SS,SF,FS,FF,TT • 负载 30pF • 在所有的PVT下，电荷泵输出为6.75V和1.6mA • 负载电流从100uA到1.6mA范围内，输出电压降小于 150mV • 电荷泵的功效要大于40% • 由电荷泵构成的电压源的功效要大于 70% • 本身工作电压Vcc=1.5~2.1V（1.8V士0.3V） • 军品温度范围: -55°C~125°C • 输出电压纹波小于 +-50mV • 面积小于0.22mm2 浙大微电子

  12. 关于字线电压VG的产生电路 • 工艺角PVT包括SS,SF,FS,FF,TT • 负载 电容3pF • 输出电压VG = 5-6V • 建立时间<20nS • 工作时消耗电流<5mA • 空载时本身消耗电流<1uA (0消耗) • 在所有的PVT下，输出电压变化<20mV • 本身工作电源电压Vcc=1.5~2.1V（1.8V士0.3V） • 军品温度范围: -55°C~125°C • 电阻必须片内集成 浙大微电子

  13. 2、可编程逻辑器件 PLD • 可编“与”逻辑、可编“或”逻辑的PLA Programmable Logic Array • 可编“与”逻辑、固定“或”逻辑的PAL Programmable Array Logic • I/O端口亦可编程的GAL Generic Array Logic 浙大微电子

  14. PLA（部分掩膜编程） • 任何组合逻辑的功能最终都可以转化为“与”之“或”的逻辑表达形式 F =ABC + BCD +AD • 对栅极进行选择性开引线孔实际上就是对电路进行编程 与矩阵 或矩阵 浙大微电子

  15. 乘积项之和 浙大微电子

  16. PAL（现场可编程） PAL是一种现场可编程的PLA 参照PROM的现场可编程技术 让设计者可自己“烧”逻辑（一次性器件） 且只对“与”阵列编程，“或”阵列为固定的。 浙大微电子

  17. GAL(现场可编程) • 电可擦除的PAL（参照EEPROM叠栅工艺） 可多次使用。 • 输出端也设计成可编程的宏单元结构， 通过对若干个变量的控制, 可将输出设置成 • 组合逻辑输出 • 时序逻辑输出 • 三态输出 • 双向输入/输出 浙大微电子

  18. 3、CPLD • Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件 • 是FPGA的雏形 • 电路结构与FPGA类似，规模、资源比FPGA少 • FPGA与CPLD的辨别主要是根据其结构特点和工作原理： • 以乘积项方式构成逻辑行为的器件称为CPLD • 以查表法方式构成逻辑行为的器件称为FPGA 浙大微电子

  19. CPLD与FPGA的区别 浙大微电子

  20. 4、FGPA (现场可编程逻辑阵列) 基本单元由三类模块组成 • CLB ( Configurable Logic Block)， 实现各种逻辑操作,由组合逻辑部件、D触发器、多路选择器组成 • 开关矩阵( Switching Matrix ) ，完成复杂的内部连接,也叫PIR (Programmable Interconnect Resource) • 输入/输出模块( I/O Block )，实现输入、输出、双向、延迟、三态等各种输入/输出功能 浙大微电子

  21. 主要组成部件： 逻辑函数发生器 触发器 数据选择器 函数发生器基于 查找表LUT单元 CLB模块 浙大微电子

  22. SM模块 PIR由许多金属线段构成，这些线段带有可编程开关 通过自动布线实现各种电路的连接 浙大微电子

  23. I/0 Block • 输入触发器 • 输入缓冲器 • 输出触发/锁存器 • 输出缓冲器 每个IOB控制一个引脚 它们可被配置为 • 输入 • 输出 • 双向 浙大微电子

  24. 其它辅助元器件和连线 • PIPs -- Programmble Interconnect Points 可编程的内连点 • BIBs -- Bidirectional Interconnect Buffers 双向内连缓冲器 • VLL -- Vertical Long Line 垂直长线, 在垂直方向起快速通道作用 • HLL-- Horizontal Long Line 水平长线, 在水平方向起快速通道作用 • 三态缓冲器( 3 - State Buffer) • 全局网络( Global Net )等等 浙大微电子

  25. FPGA 内部样貌 浙大微电子

  26. FPGA产品 商品化的FPGA产品很多, 且各有特点： • 由一块EPROM驱动, 所有的ASIC设计数据都写入EPROM而不是直接写入FPGA芯片。将这块EPROM与FPGA芯片相连, 工作时, 在通电的瞬间, 先由EPROM将其内部的设计数据灌入FPGA中的SRAM, 形成具体的工作电路配置, 完成ASIC的特定功能。断电后, SRAM上的这些数据自然丢失, 又变成一块通用的FPGA芯片, 可派作它用 • 一次性的, 将采用熔丝技术的PROM做在FPGA芯片内部, 工作时可不必额外拖带一块EPROM电路 浙大微电子

  27. FPGA生产厂商 • 目前世界上有十几家生产CPLD/FPGA的公司，最大的四家是： • ALTERA， • XILINX， • Lattice， • Actel， 其中ALTERA和XILINX占有了60%以上的市场份额 浙大微电子

  28. Altera Altera的主流产品分为两大类 • 低成本应用,容量中等,性能满足一般的设计要求Cyclone,Cyclone II,V 等 • 高性能应用,容量大,性能满足各类高端应用, Stratix,Stratix II,V 等 用户可以根据自己实际应用要求进行选择。 开发软件为QuartusⅡ 浙大微电子

  29. Altera Cyclone V: 2011年推出,28nm工艺, 1.1V内核供电 浙大微电子

  30. Altera Stratix V:0.85V内核供电 2011年推出,28nm工艺,大容量高性能FPGA 浙大微电子

  31. ALM和LE • ALM由组合逻辑、两个寄存器和两个加法器构成 • 组合部分含8个输入，包括一个查找表(LUT)，使用Altera的专利LUT技术，查找表可以在两个自适应LUT (ALUT)之间进行划分。一个完整的ALM可实现一个任意6输入功能，但是由于组合逻辑模块有8个输入，因此，一个ALM可以实现两个功能的各种组合。 • 一个等效逻辑单元LE基本上可以看成由一个小型的LUT ，一个D触发器和一个2to1选择器 浙大微电子

  32. Altera 2013年底推出第10代FPGA Altera 公司第10代FPGA，预计2014年第4季度量产，包含两个子系列： • Arria 10：中端FPGA，采用TSMC 20nm工艺 • Stratix 10：高端FPGA，采用Intel 14nm工艺 浙大微电子

  33. Xilinx Xilinx的主流产品分为两大类 • 低成本应用，容量中等，性能满足一般设计要求如Spartan系列； • 高性能应用，容量大，性能满足各类高端应用，如Virtex系列 开发软件为ISE 浙大微电子

  34. XilinxSpartan-6: 2009年初推出，45nm工艺，低成本、低功耗 • DSP块内含18x18乘法器、加法器、累加器各1个 浙大微电子

  35. XilinxVirtex-6:2009年初推出，45nm工艺，面向高端应用XilinxVirtex-6:2009年初推出，45nm工艺，面向高端应用 浙大微电子

  36. Xilinx - 7系列: 2011年推出，28nm工艺 具有比6系列更高的性价比： • Artix-7 系列： 最低成本与功耗 • Kintex-7 系列：最佳性价比 • Virtex-7 系列：最高带宽和系统性能 浙大微电子

  37. Xilinx UltraScale FPGA • Xilinx公司于2013年底推出UltraScale系列 • Kintex UltraScale（中端） • Virtex UltraScale（高端） • 目前推出的UltraScale 采用TSMC 20nm 工艺 • 未来将采用TSMC 16nm工艺。 浙大微电子

  38. Thank！ 浙大微电子

  39. 补充作业—调查问卷 • 你最喜欢的3门专业课是什么，为什么？ • 你最不喜欢的3门专业课是什么，为什么？ • 对本课程及教材的评价。 浙大微电子

  40. Altera Stratix II: 2004年中期推出 90um工艺,1.2V内核供电,大容量高性能FPGA 浙大微电子

  41. Xilinx Virtex-4: 2004年推出，90nm工艺，面向高端应用 浙大微电子

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