автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Теоретические основы синтеза трехмерных и планарных структур функционально-интегрированных элементов

од

, ■ На правил рукописи

Трубочкина Надежда Константиновна

1

УДК 621.383.8., 621.382 I

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА ТРЕХМЕРНЫХ И ПЛАНАШШХ СТРУКТУР ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления,

05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

¡996 г.

1'аЬот ьыпашсна о Московском государственном институте электроники н математики (Технический университет)

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

П ЕТРОСЯ КЦ| К. О)

Официальные оппоненты: доктор технических, наук, профессор

СИДОРОВ АС..

' доктор технических наук, про^жесор КОРОЛЕВ М:А.

доктор технически* наук, профессор РУСАКОВ С.Р.

Ведущее предприятие: АО НИИ "САПФИР*"

Защита состоится __маРта__1996 п

в ' 16 " часов на заседании специализированного совета Д' 063:68.03: I Московском государственном институте электроники и математики по адресу 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_"___1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент . ЮЛ.Ижваков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Дктуалуюсть проблемы. Постоянное развитое средств ли числительной техники и средств управления, ужесточение требований к их технн: ческим параметрам определяют необходимость создания элементной базы, характеризующейся предельной плотностью компоновки, сверхмалой мощностью, высоким быстродействием к возможностью трехмерной реализации как элементов так и устройств ЭВМ.Определяющим фактором развития вычислительной техники и средств управления является элементная база, которая за несколько десятилетий своего существования качественно менялась неоднократно. Основными тенденциями развития микроэлектронной элементной базы являются: уменьшение геометрических размеров компонентов, уменьшение потребляемой мощности, интеллектуализация интегральных схем, поиск оптимальных базовых элементов и т.д.

Большое количество работ посвящено проблемам дальнейшего совершенствования микроэлектронной элементной базы. Несмотря на появление функционально-интегрированных элементов (ФИЭ), транзисторная схемотехника п интегральных схемах по-прежнему остается доминирующей. Структуры эле-ме»пов от общего объема полупроводника занимают очень незначительную часть. Даже в так называемых трехмерных интегральных схемах (ТМИС) технология остается послойно-планарной, а схемотехника - транзисторной.Это связано с ограниченными пока технологическими и схемотехническими возможностями, в результате чего комбинационные схемы и схемы пам.чти, даже формируемые в активных слоях трехмерных интегральных схем имеют информационную плотность ниже теоретически возможной.

По мнению специалистов, в ближайшие годы сверхбольшие интегральные транзисторные схемы достигнут предела минимизации, а дальнейшее увеличение плотности компоновки будет зависеть от использования вертикальной интеграции. В нескольких активных слоях представляющих собой шггегральные функциональные устройства, чередующихся с пассивными слоями, которые выполняют функции изоляции и теплоотвода, информация в ввде сигналов различного типа ( напряжения, тока, света ) передается как внутри одного активного слоя, так и между различными активными слоями.

Трехмерные или скорее многсслойкые ¡¡/пегргльиые схемы обладают высоким быстродействием, высокой плотностью компоновки, возможностью параллельной обработки сигналов, многофункциональностью. Их проблемами являются:

- технология изготовления, связанная с созданием вертикальных проводящих каналов и сложной топологией поверхности активных слоев,

- паразитные наводки сигналов между активными слоями из-за большого числа соединений,

- большая потребляемая мощность и необходимость охлаждения кристалла интегральной схемы.

Схемотехника активных слогя ТМИС по-нрежнему остается транзисторной, В течение последних десятилетий проводились исследования и разработка элементов интегральных схем, представляющих собой функционально-

интегрированные элементы. Так, например, инвертор с икжекционным питанием, состоящий всего из 3 р-п переходов, а выполняющий функции двух транзисторов, обладает принципиально лучшими, чем у транзисторных аналогов техническими параметрами, такими как произведение мощность на задержку и плотность компоновки.

«Появление подобных элементов и компьютерные исследования в области синтеза продемонстрировали неоптимальность транзисторной схемотехники.

В работе также показана избыточность транзисторной схемотехники, схемы которой содержат лишние полупроводниковые области и межсоединения, не идущие на реализацию логических и специальных функций, а также функций записи, хранения и передачи информации.

Это есть следствие того, что простейший "неделимый" компонент транзисторной схемотехники - транзистор по сути является схемой, состоящей из более простых с точки зрения интегральной структуры элементов другой схемотехники, наиболее приспособленной для синтеза новых оптимальных интегральных структур.

Поэтому возникла необходимость в теории, способной создавать новые функционально-интегрированные элементы в качестве базовых элементов для трехмерных интегральных схем.

Обзор исследований в области синтеза базовых ЭЛСМЕНТРР ИНТСГРаЛЬНЫХ .СХ$М- Результаты анализа наиболее известных работ в области синтеза оптимальных элементов ЭВМ, сведены в таблицу 1. Основной недостаток большинства работ - это различные ограничения, накладываемые авторами на классы рассматриваемых схем. Синтез как правило осуществляется в рамках какого-либо одного схемотехнического базиса (биполярные схемы, МОП-схемы и т.п.).

Работы некоторых авторов не ориентированы:

- на переход к функционально-интегрированным элементам,

- на возможность использования новых схемотехнических решений в построении трехмерных схем, что резко обедняет методы синтеза с точки зрения будущих технологий. У всех отечественных авторов компонентом синтеза является подсхема или транзистор.

Отечественные авторы не имеют завершенных систем автоматизированного проектирования элементов, сшггезированных по их концепции, т.к. результатом синтеза являются транзисторные схемы, реализуемые по стандартным технологиям, для которых САПР ИС уже существуют.

Зарубежные же системы уделяют основное внимание проблемам создания качественных пользовательских интерфейсов, позволяющих выполнять моделирование и оптимизацию базовых полупроводниковых структур, но не имеющих блока синтеза новых структур, в том числе и трехмерных ФИЭ.

Так как теории, учитывающей проблемы, особенности и тенденции развития новой элементной базы компьютеров, связанной с синтезом структур базовых элементов для трехмерных интегральных схем, нет, была выполнена данная работа. Работа выполнена в соответствии с госбюджетной НИР "Исследование и разработка цифровых и аналоговых функционально-шгтегрированных элементов в пленарной и трехмерной реализации" и является сосовной частью одного из научных направлений Московского

Сравнительный анализ методов синтеза базовых элементов интегралып« схем.

Таблица 1.

Аэтор, Год Методы СИНГЕЗЗ В н по ля рн ы е сх ем ы М О п сх е м ы Б иМ О п сх е м ы Ав то и» ТИЗ *ц ИЯ ме тод а С и и т е 3 ф И Э Исп алы ога я из в 3-х керн ых ИС На ля та с СЛ ПР

Глориозо» ЕЛ. 1930 г. "морфологического ящика", искусственного тггеллекта + . +

Шагур»» И.И. 1950 г. токовт грзфоз +

Казснноа Г.Г. Крсмлёа В.Я. 1534 г. табличный - - + - + - -

Туляков В.С. 1987 г. лагаггных гтриеноз, ног**>атоп1чес1сого анаякз + +

Клыпша И.Ю. 1989 г. графо эих моделей + +

Королёв МЛ. 1990 г. синтез 3-мерной структуры по принципиальной схеме, технологическая реалшеия - - - + -

Кармазннский АН. 1990 г. композиционный, структур1'0" функцпонального сшпеза 6:1-бЛТ!ОТГП:ЫХ мгЕрсзлемгнТСЭ - + - - - + -

Кремлёв ВД. 1990 г. морфологического анализа + -V (

САПР Университета Корнеги-Миллон* - Система ¡¡роекПфогзштя КС 113 оспзгг фупеднойаяьяо-логэтссксгэ синтеза

Д. Лензт • система ниюзсо - Отсутствуют сведения о мето-г.зх синтеза, создан ксгый трехмерной элемент

система 1ВМ Система проегптрс"га::1 ИС на сскогг фупкщгапглы'о-логкческого синтеза

система ¡БЕ (1п1е8гг«е<1 Зукепи ЕлзЬееппз), НТО Хепимт , 1995 г. - Отсутствует блок синтеза. Лутсгяй блок по математическому мекмнрезагата структуры

Трубочкг-шз Н.К. 1996 г. аналитический ч-тод егггге-за.хоппыотсрний «етод егштета, йспс-1)о\тлгплГ! бионический принцип каращивзнпя' рагыер-ноети. Элемент синтеза - переход физической структуры + + + + + + +

икударственного института электроникл и математики: "Физическая электро-ч.1ка, материалы, технология и оборудование электронной техники".

- комплексное развитие теории синтеза и разработка методов проектиро-.ания оптимальных структур планарных и трехмерных ФИЭ для создания микросхем нового поколения.

Для достижения цели в работе решены следующие

задачи;

- < разработка общей концепции синтеза структуры функционально-шттегрированного элемента как совокупности связанных полупроводниковых, диэлектрических, металлических и других областей с различными электрофизическими свойствами,

-разработка методики структурного синтеза функционально-интегрированных элементов в планарной и трехмерной реализации, основанной на сформулированной концепции, включающей синтез математической модели ФИЭ, генерацию физической структуры, моделирование на уровне физической структуры, эквивалентной схемы и отбор элементов по заданным критериям,

- разработка методов и алгоритмов синтеза математических моделей и генерации физической структуры цифровых и аналоговых планарных и трехмерных ФИЭ,

- разработка структуры системы автоматизированного проектирования функционально-интегрированного элементов в планарной и трехмерной реализации,

- применение разработанной методики и средств САПР для генерации новых планарных и трехмерных физических структур ФИЭ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые решена задача автоматизированного синтеза планарных и трехмерных физических структур ФИЭ с заданными электрическими характеристиками и параметрами.

Выносятся на защиту_g л с д у к>,1И И с_Н О Р И С—Н Р -

- концепция, на которой основано решение общей задачи синтеза физической структуры функционально-интегрированного элемента как в планарной, так и в трехмерной реализации,

- методика структурного синтеза, представляющая взаимосвязанную сово купность решения задач синтеза математических моделей ФИЭ, генерации фи зической структуры, моделирования физической структуры и ее эквивалентно! схемы, выбор работоспособного элемента,

- аналитический метод синтеза математических моделей ФИЭ и блоко ЭВМ (регистров памяти, арифметико-логических устройств, счетчиков, гене раторов чисел, шифраторов, и т.д.) в виде графов и таблиц, позволяющий из бежать процедуры перебора, требующей больших временных затрат,

- компьютерный метод синтеза математической модели ФИЭ, испол! зующий бионический принцип наращивания, позволяющий резко повысш эффективность направленного перебора возможны* решений,

является:

г>

- метод генерации физической структуры ФИЭ по его графовой математической модели,

- совокупность графовых математических моделей ФИЭ различной сложности, с помощью которых возможно предсказывать появление новых трехмерных элементов БИС,

- возможность синтеза физической структуры аналоговых и сенсорных ФИЭ.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании:

- сквозной САПР ФИЭ, реализующей маршрут синтез математической модели, генерация физических структур, анализ на уровне электрической схемы и физической структуры, выбор работоспособных вариантов - работа с параметрической и структурной базами данных,

- новых конструкций пленарных я трехмерных ФНЭ с биполярной, И'Л, Би-МОП, МОП/КНС структурой, защищенных авторскими свидетельствами и патентом, которые по сравнению с аналогами имеют большую степень интеграции >1 меньшую потребляемую мощность.

Апробация,

Реализация результатов исследований.

Теоретические и практические результаты диссертации использованы: I) в рамках совместных НИР, проводимых на АО НПО "Сапфир" (г.Москва) 1992-1995 гг.:

- при разработке оптимальных конструкций КМОП БИС со структурой КНС/КНИ,

- при разработке серии логических элементов ТТЛ/ И'Л в планарной реализации со структурой КНС/КНИ,

- разработанная САПР ФИЭ включена в САП? БИС предприятия.

2) В рамках совместных НИР в п/я Г-4783 (г. С.-Петербург) 1974-1975 г.г., п/я Г-4515 (г. Москва) 1977 г. внедрена:

- методика проектирования логических БИС с улучшенными параметрами (время проектирования, произведение мощность на задержку, минимальный разброс задержек на выходах БИС).

3) Отдельные программы моделирования САПР ФИЭ использовались для решения частных задач о рамках совместных НИР с НИИ "Пульсзр" в 19941995 г.г. при создании элементной базы мощных "интеллектуальных" ИС на структурах ДМОП и ЮВТ с функциональной интеграцией рабочих областей приборов.

4) Материалы диссертации используются в учебном процессе в Московском государственном институте электроники и математики в курсе "Схемотехника ЭВМ", курсовом и дипломном проектировании.

Выступления. Основные положения, научные и экспериментальные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: УШ Всесоюзном совещании-семинаре: "Теория, методы и программные комплексы автоматизации проектирования современных элементов ЭВМ и ПЭВМ" (Гурзуф, 1980У, XII Всесоюзном совещании-семинаре "Автоматизация проектирования микропроцессоров, микропроцессорных систем и СБИС" (Гурзуф, 1984), X Всесоюзном совещании-семинаре

"Автоматизация проектирования структурных элементов математического обеспечения ЭВМ и вычислительных систем", Гурзуф, 1982, Республиканской конференции "Математическое моделирование полупроводниковых приборов" (Рига, 1986,1988), научно-технической конференции "Пути и перспективы развития автоматизации проектирования быстродействующих ЭВМ" (Ленинград, 1977), научно-технической конференции "Автоматизированное техническое проектирование электронной аппаратуры" (Вильнюс, 1979), научно-технической конференции "Автоматизация конструкторского проектирования РЭА у( ЭВА" (Пенза, 1979), Первой конференции социалистических стран по проблемам образования в области микроэлектроники (Будапешт, 1985), научно-технической конференции "Микропроцессорные системы управления технологическими процессами в гибких автоматизированных производствах" (Москва, 1985), научно-технической конференции "Применение микропроцессорных средств и роботизации в городском хозяйстве" (Москва, 1985), XY Всесоюзном совещании-семинаре "Методы и средства САПР и ГАГ1 микроэлектроники. Пути развития и внедрения" (Симферополь, 1987), Всесоюзном совещании "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах" (Паланга, 1987), Первой Всесоюзной конференции "Физические и физико-химические основы микроэлектроники" (Вильнюс, 1987), Второй Международной конференции социалистических стран "Обучение в микроэлектронике" (Варшава, 1987), 16-ой Югославской международной конференции MIEL-88 (Югославия. 1988), Всесоюзном совещании "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ярославль, 1988), YI научно-технической конференции с международным участием "Мнкроэлектроника-88" (Ботевград, НРБ, 1988), 6-м международном совещании "Микроэлектроника-88" (Дрезден, ГДР,1988), 17-ой Югославской международной конференции MIEL-89 (СФРЮ, 1989), IX международной конференции КОМПКОНТРОЛ "Применение ЭВМ в технике и управлении производством" (Братислава, ЧССР, 1989), Всесоюзной конференции "Микропроцессорные средства локальной автоматики" (Гродно, 1989), YII национальной научно-технической конференции с международным участием "Микроэлектроника-90", (Варна, НРБ, 1990), Всероссийской научно-технической конференции "Датчик-93" (Гурзуф, 1993), Всероссийской научно-технической конференции "Датчик-94" (Гурзуф, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 научные работы в центральных и республиканских изданиях, а также изданиях, соответствующих перечням издательств и издающих организаций, в которых могут публиковаться основные научные результаты, включаемые в докторские диссертации. Среди опубликованных работ монографии "Логические элементы статических БИС" и "Машинное моделирование функционально-интегрированных элементов ЭВМ", выпушенные издательством Московскою института электронного машиностроения соответственно в 1987 и 1989 годах, 3 авторских свидетельства на изобретения, заявка на изобретение, получившая положительное решение на выдачу патента. Основное содержание работы достаточно полно изложено в публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, б глав, заключения, списка литературы из 180 наименований, приложения. Диссертация изложена на 304 страницах, включает 83 рисунка, 14 таблиц, в том числе 26 страниц приложения.

Во введении обосновывается актуальность проблемы, сформулирована цель работы, определены задачи исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, выносимые па защиту научные положения и результаты, дана краткая аннотация работы по главам.

В первой главе на основе анализа тенденций развития элементной базы вычислительной техники и средств управления, как предметной области исследований, формулируется новая концепция' синтеза базовых элементов для трехмерных интегральных схем.

Проведен анализ- исследований в области проектирования элементной базы ЭВМ. Рассмотрены перспективы и проблемы проектирования элементной базы ЭВМ

Предложена последовательность решения поставленной задачи в виде методики и структуры системы автоматизированного проектирования цифровых, аналоговых и сенсорных функционально-интегрированных схем в планарной и трехмерной реализации.

Предложена методика синтеза и математического моделирования элементов ЭВМ, построенная на нетранзисторной схемотехнике. Элементы этой схемотехники могут быть реализованы как в известных план арных технологиях, так и в трехмерной реализации, технологии для которой необходимо разрабатывать. Одной из актуальных проблем компьютерного моделирования новой схемотехники яатяется разработка математических моделей е« объектов.

Проблемы, связанные с разработкой трехмерных интегральных схем, работы, проводимые по созданию функционально-интегрированных элементов, привели к необходимости создания тесрепгческнх основ синтеза элементов трехмерных интегральных схем, предполагающих:

- разработку математических моделей объектов исследования,

- создание аксиоматики (формулировка определений, правил, аксиом),

- синтез с использованием аксиоматики нозых объектов,

- последующий анализ объектов,

- отбор и классификацию.

В качестве объектов, элементов, из которых осуществляется синтез математических моделей функционально-шггегрнрованиых элементов, предложены элементы интегральной структуры: полупроводниковые р и п области, Ох -окисел, Me - металл, S - среда ( для сенсорных схем ), oN - окисел на полупроводнике n-типа, оР окисел на полупроводнике р-типа и физические переходы между этими областями..

' - Концепция - определенный способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная тонка зрения, руководящая идея для их освещения; ведущий замысел, конструктивный принцип различных видов деятельности. Энциклопедический словарь. М., 1995, из-ю "Большая Российская Энциклопедия 892 с.

В соответствии с методикой предлагается система автоматизированного проектирования ФИЭ в пленарной и трехмерной реализации. Выходным ре-• зультатом работы системы являются планарные и трехмерные цифровые, аналоговые и сенсорные функционально-интегрированные схемы: их интегральные структуры, топологии, размеры, концентрации примесей в областях, технологические маршруты и их параметры.

Рис. 1. Структура методики и системы автоматизированного проектирования ФИЭ в пленарной и трехмерной реализации.

Во второй главе рассматриваются теоретические основы синтеза математических моделей функционально-интегрированных элементов. Дано определение элемента нетранзисторной схемотехники в виде графовой математической модели, представлены графовые модели интегральных логических элеме!ггов транзисторной схемотехники. Описана операция объединения -основная операция и правило для синтеза математических моделей ФИЭ.

¡о

Подробно рассматривается синтез ФИЭ, содержащих от 2 до 8 областей интегральной структуры, что соответствует вентилям (начиная с размерности 4) в транзисторной схемотехнике.

Описан стгтсз математических моделей ФИЭ в классах НСТЛ, МЭСЛ, ТТЛ, элемещ-ов памяти, аналоговых и сенсорных элементов и функциональ-но-шпегрированных устройств (ФИУ).

Теория графов - одна из наиболее применяемых в технике и естествознании - использована для описания, синтеза и анализа элгментов схемотехники ФИЭ.

Основные теоретические положения заключаются в следующем:

Определение 1. Математической моделью (ММ) функционально-интегрированного хчемента является неориентированный граф

О ( X, А, Г ),

где:

X ~ ( Х|, X}, ... хм) - множество вершин,

А т ( в), 32, ... ам) - множество ребер.

Предикат Г является трехместным предикатом и описыгзется логическим высказыванием

Г ( х(, ак, х/),

которое означает, что ребро ак соединяет вершины XI и г.].

Определение 2. Простейшему элементу схемотехники ФИЭ - элементу множества вершин Х| - соответствует часть интегральной структура

*1 -Т| ,

в которой Т| определяет качественный состав части интегральной структуры, р[ - элемент функционального множества, определяющий энергетическое воздействие на часть интегральной структуры пли ее назначение.

Т - { Т, ), -!,.. N - ( р. п, р+, п+, ...5102,... А1,Са,...5, •••) -= П иД и Ме ив

- множество элементов типа частей структуры: ( р - полупроводниковая область р-типа, п- полупроводниковая область п-типа, БЮг - область двуокиси кремния, А1- область алюминия, Са - область галлия, - среда, любая физическая область, не входящая в предыдущее описание и тл. Таким образом, частью интегральной структуры Т( может бьггь элемент из подмножеств полупроводников П, диэлектриков Д, металлов Ме или любая другая материальная среда Б.

Простейший элем сит схемотехники ФИЭ - одна физическая область интегральной структуры - представляет собой ФИЭ размерностью 1 (ФИЭ1).

Для более наглядного представления математических моделей элементов трехмерных и планарных интегральных схем введем текстовые и графические

обозначения ФИЭ) н ФИЭ2 - компонентой, из которых осуществляется синтез математических моделей ФИЭ:

ФИЭ,:

N (п) - полупроводниковая область п-типа, Р (р) - полупроводниковая область р-типа, М(! - метгиш, Ох - окисел,

5 (я) - среда (любая физическая область интегральной структуры ФИЭ),

ФИЭ2 (для синтеза математических моделей ФИЭ, содержащих модели МОП-транзисторов; для МДП-транзисторов окисел заменяется диэлектриком): oN (оп) - окисел на полупроводнике п-типа, оР (ор) - окисел на полупроводнике р-тнпа.

Графические обозначения некоторых Т| для более наглядного представления математических моделей ФИЭ представлены на рис.2.

оР N Р

сф^ с*

Э Мс Ох

Рис. 2. Графические обозначения ФИЭ) и ФИЭ2.

Определение 3. Физической области интегральной структуры ставится в соответствие некоторая функция из функционального множества. Определение 4. Функциональное множество

И = Ру и Рн

есть совокупность двух подмножеств: управляющего подмножества Ру и подмножества назначений Гц.

Определение 5. Управляющим подмножеством

Ру = { Рут } " ( ,... Ец , I] ,... 1|(2 , Л) , ... Ли , ... )

называется подмножестяо управляющих воздействий на физическую область интегральной структуры и виде напряжений Е[, тока 1;, света различной длины волны Л к, тепла, магнитных и других излучений, энергетического воздействия в результате осуществления химической реакции и т.д. Определение 6. Подмножеством назначений

Гц ~ | - ( сх 1 .... вх га ; сих 1 .... них п )

наэыилетсл подмножество, задающее областям интегральной структуры различные свойства, например, входных н выходных областей.

Определение_I- Размерность математической модели ФИЭ Я определяется количеством рахтнчных физических областей элемента.

О п р е л с л е н и е 8 . Элементу ак множества ребер Л, такому, 'гго

3 Х| , х | ( х , * х } & Г (х 1 , а ь , х ¡) & Г (х I , а к , х

соответствует физическая Гранина - переход мехту различными частями интегральной структуры, выполняющий определенные функпим, причем предикат Г (х 1 . а к , х ¡) означает, «по область Х| имеет с областью х ; физическую границу - переход а к .Размерность переходов а I - улементоо схемотехники ФИЭ равна 2 (ФИЭ2).

Примерами переходон являются: Р - N переход - переход между полупроводником р н п-типа, выпол-

няющий диодную функцию (переход типа П | - П ; ), П [ - Д I переход - переход между полупроводником н диэлектриком, П | - Ме 1 переход - переход между полупроводником и металлом (диод Шотгки),

Б | - Б 2 переход - переход между прозрачными и непрозрачным:! слоями в огтто'злектроиных элементах, - мембраны и биологически- элементах и т.д., оЛ-Р, оР-М - части МОП-транзисторов,

N'-3, Р-Э, S-oN', З-оР - части сепсороп и т.д.

Графоаьге модели переходов представлены на рис. 3.

ГХ-^.,

N V*" N " Мс1'-* Г *' >'г'У' N4 Р Б-' 51 12 -----

." ' - / Л

и-су с^/О <

"Ч р о!> N ' Ме оМ

'•Ч-Л .. ( N Г 1/Л }

с

.1

М<Г СР 5 Г::\ 5 „Р

Л, /"

• - (¿ш

иН оР

Рис. 3. Графовые молсли лгрсходсч интегрально»! стругггуры ФИЭ.

Графовые модели и структурные формулы ФИЭ ( Я<7 ), состоящие только из

полупроводников

Таблица 2

Размерность ФИЭ II Графовая модель ФИЭ Структурная формула ФИЭ (глава 4) Функционально- интегрированное элементы

' I п (р) п(р) п(р)-полупроводник

2 р-п р~»п р<- п р-п переход

3 п-р-п (р-п-р) пР0 ^рВ* _>пВьа Биполярный транзистор: вертикальный, горизонтальный

4 р-п-р-п рВ^пРО^рВж^пВи >р®х—»п "ых рЕ<=ПРО-».рВх->11 Вь" Биполярный инвертор: с торцевым инжектором, с подложечным инжектором, с поверхностным инжектором

п 1 Р-П п 1 •Р <- П . . 1 п и т.д. М ногоэмиттерный транзистор

1 п Многоколлекторный транзистор

5 п-р-п-р-п П—->р—М1—->р^>п и т.д. Усилители, повторители сенсорные элементы

6 р-п-р-п-р-п Трехмерный комплементарный биполярный инвертор (максимальная плотность компоновки)

В схемотехнике функционально-интегрированных элементов известные интегральные транзисторные структуры могут быть представлены связанной системой переходов.

Графовые модели интегральных элементов могут представлять собой деревья (таблица Принса - табл. 2), а могут содержать циклы.

Полупроводник ((0*1) п (р),

диод (Яв2) р-п,

биполярный транзистор (11=3) п-р-п, биполярный инвертор

с ннжекционным питанием (К—4) рЕ - пго -рВж - пВы*

- цепь открытий н изобретений, давших три последних поколения вычислительных машин, всего лишь начальные элементы таблицы оптимальных Математических моделей ФИЭ.

Продолжить эту таблицу стало возможным только с помощью экспериментов на ЭВМ. Сначала была получена известная модель биполярного инвертора с ннжекционным питанием, а затем и неизвестные модели инверторов другого класса (комплементарного биполярного, с металлическим коллектором, трехмерного инвертора н тл. см. табл. 4).

Основной операцией, используемой при аналитическом и компьютерном синтезе математических моделей ФИЭ, является операция объединения.

Определение 9. Объединением <и> моделей элементов - графов О ( X 1 Л (,Г ( ) называется модель - граф О ( X, А, Г ), для которого

и и

X » и X | & А- 11А, ¡"1 ¡-1

Аксиома;

если Т/"« = ху е Х( & ТкГяк » х^ е Хт, { * т,; * к,

то Хц - х,, и хт1, при условии Т, - Тк & Гц - Ипл или

Т^Тк<Ь •( Э Щ(¥п) I ?}(Руй)< ^(рутк) + £к),

где: ), Фь (Гушк ) - значения элементов управляющих подмножеств

Ру« и Рущк ; - некоторая малая величина, допустимое абсолютное отклонение элемента управляющего подмножества (Гущ* ).

Физический смысл данной аксиомы заключается в том, что при объединении математических моделей различных ФИЭ их области могут объединяться в одну, если они совпадают по типу и имеют одинаковые значения элементов функционального множества или приблизительно (с отклонением одинаковые значения элементов управляющего подмножества.

Введение данной операции может приводить к получению нескольких новых математических моделей, содержащих в результате объединения

меньшее количество вершин (областей структуры), чем в случае объединения принципиальных схем по известным схемотехническим принципам функциональной интеграции.

Аналитический_метод синтеза. Сшлез ФИЭ естественно

начинать с малых размерностей. Графу, состоящему из одной вершины (К=1), соответствует некоторая область с определенными электрофизическими свойствами (например, подложка р-типа). Для И=2 примерами могут служить графы вида р-п (переход между полупроводниками р- и п-типа).

Ц таблице 3 представлен аналитический синтез всех таких переходов. Из таблицы видно, что теоретически возможны 28 типов переходов ФИЭ. Размерность этих ФИЭ равна 2.

Аналитический синтез ФИЭд

_Таблица 3

N1 Р1 Ме1 оМ. оР1 Ох1

| N2 М1-Ы2 Ы-Р ' N-Me N-8 N-oN N-0? N-0*

Р2 Р1-Р2 Р-Ме Р-Б Р-о^ Р-оР Р-Ох

Ме2 Ме1-Ме2 Ме-Б \le-oN Ме-оР Ме-Ох

Б2 81-82 в-оЫ Б-оР в-Ох

о№ оЖ-оЫ2 оЫ-оР оЫ-Ох

оР2 оР1-оР2 оР-Ох

0x2 0x1-0x2

Результатом объединения переходов являются математические модели ФИЭз- При определенных условиях некоторые модели могут представлять транзисторные структуры, часть которых представлена на рис.4.

Рис. 4. Графовые модели ФИЭз - транзисторных структур.

При синтезе ФИЭ с размерностью больше 3 используются известные в тракшсторной схемотехнике приемы получения различных элементов, однако, эти приемы нсполыуются для объектов и с учетом аксиоматики предлагаемой теории синтеза.

Так, например, модели ФИЭ, выполняющих функцию биполярного инвертора, размерностью 4 получаются в результате объединения моделей разнотипных транзисторов с учетом необходимости токового питания Р] баз переключательных н-р-н транзисторов и того факта, «по потенциал базы нагрузочного р-п-р транзистора Р® должен быть меньше напряжения питания Е на напряжение на открытом переходе ир.п .

Если потенциал на выходе структуры Рвы, не больше ир.п, а Ро - потенциал шины "земля", то при

можно считать, что

Т6 « Т или Т6 - TF0 ,

т.е. вершина Те может объединяться с вершиной Тга или вершиной l1'""1, в результате чего получается не одна, а две модели ФИЭ НЕ, например:

„Fnin . pFu.FI _nFo и рЕ _nFfl _pFI ■

рЕ _nFo . pF«* . nFwe (J)

pF. . nF»u. . pFftx . nF0 (2)

Для реализации логических функций И, ИЛИ в транзисторной схемотехнике используются многоэмиттерные (МЭТ) и многоколлектерные (MKT) транзисторы.

Схема с непосредственно связанными транзисторами (с общими эмиттерами и общими коллекторами) - параллельное соединение транзисторов, при наличии нагрузочной схемы выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ.

Параллельное соединение эм>ггтерных повторителей - объединение ir río выходу реализует логическую функцию ИЛИ и тл.

Эти принципы использованы при аналитическом и компьютерной синтезе полелей ФИЭ4.

Аналитический синтез моделей ФИЭ4 (R-4) описывается следующим образом:

„FbuU.FkI _ pFnxl.FI . цГО.Рэ' и |jFbux2,Fk2 . pFm2,FI . nF0,Fj2 =

^FbmxI.KI (3)

/

f|F0,Fi _ pFi»*

\ • (G3.1.)

nFebr»2,Fic2

Пг /

\ (ОЭ.2>

\ / (СЗ.З)

Уравнение (4) описывает синтез ФИЭ5 НЕ-И, Ш1И-НЕ - функционально-полного логического базиса, пригодного для построения сколь угодно сложных комбинационных схем. Для синтеза использована модель биполярного инвертора с инжекционным питанием (1):

рБ _ПК> . ррв*1 _пРвых1 и рЕ . „ГО _ рРвх2 . пР>ых2 _ (4)

(I) (0

пГвых1

/

НЕ-И рЕ -п™ -рр» (С4.1)

\

,,Р»ых2

П

рвых

/ \

ИЛИ-НЕ ррм1 ррвй (С4.2)

\ /

п1

I

РЕ

РО

Общее уравнение синтеза ММ венпшя ИЛИ-НЕ (транзисторный аналог -НСТЛ - транзисторная логика с непосредственными связями) имеет вид:

ФИЭ> (-11С-, и ФИЭ2 (-1К-, - ФИЭСвл„.,«-) (Риых, « Рвых2 ) (5)

Если в качестве ФИЭ1 <-,„•) и ФИЭ2 ваять биполярные инверторы 11=5 получим модель ФИЭ(-ц.1н.„е-) 11=7 :

п™

1 РЕ 1 РЕ 1 \ / РЕ

1 пге и „и - | П™

1 pFi.il 1 / \

1 ПР>1Л| 1 пРеих2 \ / дрвю!

Уравнение синтеза бистсбкльной ячейки или ЯЗ-триггера в общем виде имеет следующий вид:

ФИЭ1 с,«-, и ФИЭ2 (-1я-) ( при Ргх1"»Ртх2; Рих2-Рвьи1 ) ° ФИЭГКз-) (7)

Если в качестве ФИЭ1 (-,„-) ¡55ять модель швертсря ФИЭ5 , то уравнение синтеза 115- триггера будет иметь следующий гл1д:

рЕ рЕ рЕ

п"

1 и 1 1 1

Рп рП рО рР1

/*\ /*\ /'\"/'\

1Гю1 пР» пГы1 пг-х г

Звездочкой отмечены возникающие при объединении пзраз:ггные транзисторы, которые должны быть учтены при дальнейшей структурной реализации запоминающей ячейки.

У полученной модели запоминающей ячейки (8) есть транзисторный аналог. При реализации запоминающей ячейки в транзисторной схемотехнике требуется 12 полупроводниковых областей, И р-п переходов н 10 соединений. При использовании функциональной интеграции, описанной уравнением (8) ползаем математическую модель ФИЭсяз-), имеющую циклическую структуру, состоящую из 8 полупроводниковых областей, 8 р-п переходов и 5 соединений.

Структура такой ячейки изображена на рис. 56. Площадь Топологии ФИЭ(-Ц5-) в несколько раз меньше, чем у транзисторного аналога. Для технологической реализации требуются 4 полупроводниковых слоя и вертикаль-

пая диэлектрическая изоляция. Подробно методы генерации интегральной структуры по модели Ф1АЭ описаны в главе 4

В таблице 4 приведены результату аналитического синтеза математических моделей функционально-интегрированных элементов размерностью от 2 до 8. Это модели транзисторов, элементов НЕ, Ш1ИЬМЕ, И-НЕ, усилителей, позгоргггелей, запоминающих, аналоговых и сенсорных элементов.

Все модели размерностью более 3 содержат меньшее количество р-п переходов и соединений, чем у соответствующих транзисторных аналогов.

Результаты аналитического синтеза моделей ФИЭ (К«2+8)

Таблица 4-

Число областей ФИЭ, К. Число полученных моделей ФИЭ Модели ФИЭ

I 7 ! области ФИЭ

2 28 ! переходы ФИЭ

3 64 • транзисторные структуры

4 23 комплементарные биполярные элементы (КБЭ) НЕ, И, ИЛИ

5 9 КБЭ: ИЛИ-НЕ, повторители, усилители, МОП, Би-МОП-кнверторы

6 3 КБЭ: НЕ, И-НЕ Би-МОП сенсорный элемент

7 1 КБЭ: И-НЕ

8 15 КБЭ: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, КЗ-триггер и т.д.

Дальнейшее объединение математических моделей приводит к созданию функционально-интегрированных комбинационных, последовательностиых и специальных.схем, требующих, как правило, трехмерной реализации.

На рис.5а приведено уравнение синтеза математической модели трехмерного регистра памяти из ММ функционально-интегрированных ЯЗ-триггеров, полученных в уравнении 8, на рис. 56 - его интегральная структура. На рис. 6 приведен пример синтеза ФИЭп И-ИЛИ-НЕ, на поверхности кристалла; занимающего площадь, менее одного транзистора, в то время каз< транзисторный аналог в пленарной реализации имеет площадь на порядок больше. Как видно из рассмотренного примера, применение ФИЭ на уровне проектирования интегральных схем уменьшает количество соединений, чте существенно при создании ТМИС.

На рис. 7 показан аналитический , синтез более сложной комбинацион ной схемы - схемы переноса одноразрядного сумматора в базисе ФИЭ МЭСЛ После описания основ теории синтеза математических моделей ФИЭ I ФИУ приводятся компьютерные алгоритмы синтеза и результаты компьютер ных экспериментов в различных классах элементов.

В третьей главе приведена программная реализация методов син теза ФИЭ. Описан блок синтеза ММ ФИЭ в САПР ФИЭ.

N

и

1-1

р о о Р / \ / \ ее®

р о о *»

/ \/ \ ©

1 л"

п Э п Ох р п

1 ^ б)

Рис. 5. Многоразрядный регистр памяти не КБ-триггерах: а) - уравнение синтеза функционально-интегрированного регистра памяти, б) - интегральная структура.

е ® ПС п® © ф

\ / ?' N /

1 ■О" (Ь

\г* \Г"

ч 1

1« I -

Г Г

О" р

I

'.А7

* . ' М4Г

А П в п

р

п

С р

—а 1 .

с

( с о

п п

й

Рис.6. Синтез модели ФИЭц, реализующей функцию АВ+СО+...: а) - уравнение синтеза, б) - вариант шгтегральной структуры.

а)

и

п"хСЧ

ч

V'

о»

Т

О»"

¿п»

ТуТ

б)

В)

Рис. 7. Синтез модели схемы переноса одноразрядного сумматора в базисе ФИЭ МЭСЛ: а) - лотческая схема, б) - уравнение синтеза, в) - модель в схемотехнике ФИЭ.

Описаны программа синтеза математических моделей ФИЭ SINT, работа в се среде: приведены маршруты работы, описаны: опция About, меню опции Help, меню опции File, меню опции View, опция Optimize, меню опции Colors, меню опции Model, опция Rild, меню опции Options, опция Exit, искусственный останов работы, работа с окнами обращения к диску, работа с

опций View, назначение файлов данных. Программа SINT работает совместно с программой графической обработки математических моделей ФИЭ GRAFF. Описана операция и алгоритм построения графического изображения, приведено описание информационного обеспечения. Дано краткое описание модулей программы GRAFF", типов данных, описывающие изображение, описаны операции инициализации, отображения, оптимизации изображения графовой трехмерной модели ФИЭ.

Описаны особенности реализации интерфейса, опрос клавиатуры и поддержка манипулятора "мышь", реакция системы на нажатие клавиш, графические окна, реализация меню, автомат переходов режимов работы, реализация интерфейса для поддержки программы синтеза математических моделей ФИЭ SINT, особенности реализации режима File Dialog. Описаны входные и выходные данные, окончание работы, выход из программы, определяемые сбои технических средств. Описана зашита информационных массивов. Даны технические характеристики программы.

Рис. 8. Просмотр результатов синтеза ФИЭ<: графовой математической модели, эквивалентной транзисторной схемы в виде таблицы и технических параметров модели. . ■ .

В заключении приведен пример сценария работы со средой 51КТ, в виде последовательности графических окон среды с входной и втгчодной информацией по проводимым экспериментам синтеза математических моделей ФИЭ различных классов.

В четвертой главе рассматривается следующий этап методики проектирования ФИЭ - генерация интегральны* структур ФИЭ.

Генерация интегральных структур ФИЭ выполняется с учетом следующих правил.

Правило 1. Для функционально-интегрированных элементов, математическая модель которых является графом, интегральная структура и технология ее изготовления определяется выбором корня дерева х*, соответствующего области интегрального элемента, содержащего весь элемент, заданием свойств вершин, свойств и направления ребер.

Прдвидо 2. Если математическая модель ФИЭ является деревом с корнем х*, с множеством маршрутов от корня М(х*) и максимальной длиной маршрутов (определяемой максимальным числом дуг), не превышающей трех, то для реализации интегральной структуры ФИЭ достаточно простейшей эпитаксихчьно-планарной технологии, по которой элемент выполняется внутри полупроводниковой пластины.

Определение 10. Дуга ак структурной формулы (модели структуры ФИЭ) называется простой, если в интегральной структуре ей соответствует переход, сформированный с помощью операции типа диффузии внутри полупроводниковой пластины. Для структурных формул, содержащих только простые дуги, количество таких технологических операций определяется максимальной длиной пути от корня.

Определение 11. Дуга а* называется особой дутой, если в интегральной структуре ей соответствует переход, образованный не с помощью , операции типа диффузии. Переходы, соответствующие особым дугам расположены вне основной пластины, в частости на ее поверхности.

Определение 12. Вершина хи называется внешней, если она инцидента особой дуге. Внешней вершине соответствует полупроводниковая область, образованная на поверхности полупроводниковой пластины (или другой среды).

Правило 3. Если ФИЭ с математической моделью есть дерево с корнем х*, множеством маршрутов М(х*) и максимальной длиной маршрутов, превышающей три, то интегральная структура может быть реализована с помощью технологических операций, формирующих переходы на поверхности полупроводниковой или другой пластины (например, эпитаксиального выращивания).

Структурные формулы таких интегральных структур содержат особые дуги и внешние вершины.

Правило 4 . Если структурная формула содержит внешние вершины и особые дуги, то при ьоссганоалении по структурной формуле интегральной ' структуры, для того, чтобы различные области одного типа проводимости не объединялись в одну область, а области различного типа проводимости не образовывали лишние переходы, то там, где это необходимо, должна быть введена диэлектрическая изоляция (как вертикальная, так и горизонтальная).

Правило 5. Для элемента, математическая модель которого содержит контуры, интегральная структура может быть реализована, если при выполнении правил 1,2,3,4 каждый контур будет содержать хотя бы одну внешнюю вершину. '

Обший алгоритм генерации структурной Формулы ФИЭ основан на применении четверичной системы счисления.

Поставим в соответствие цифрам этой системы следующие переходы:

/ !, если X; -> X]

а к " / 2, если Х]

3, если Xj

4, если XI с= X)

I

Первому переходу соответствует диффузионный переход, причем х, содержит область х^ Второму переходу также соответствует диффузионный переход, но здесь уже область Xj содержит Третьему и четвертому переходам соответствуют переходы между различными полупроводниковыми слоями, для третьего перехода область X) расположена над .областью Х( , а для четвертого -область х, расположена над областью х,.

Основание системы счисления для общего алгоритма генерации струетур-1!ьп» формул определяется в (9):

N2

Э - N1 , (9)

где:

N1 - число типов переходов,

N3 - количество пространственных ориентаций. Число структурных формул, получаемых по общему алгоритму генерации равно:

К$° = 5 {Я- 1) (10)

В этой формуле К - размерность математической модели ФИЭ, определяемая число?! областей. Формула справедлива, когда математическая модель ФИЭ- является деревом.

Для общего случая, когда математическая модель содержит контуры, число структурных формул по одной математической модели ФИЭ определяется по формуле (11):

К5 = Б (11)

где: NA - число ребер графовой модели ФИЭ. ___

Для ФИЭ в виде дерева Я=4 с помощью общего алгоритма генерации можно получить 64 структурные формулы, т.е. для биполярного инвертора с инжекционным питанием, модель которого является таким деревом - 64 интегральные структуры с различными свойствами.

Компьютерный алгоритм генерации структурной. формулы ФИЭ - интегральной структуры по математической модели заключается в следующем: - . '

1. Выбор (назначение) корня.

- Для упрощения дальнейшего проектирования это, как правило, вершины, соответствующие областям с потенциалами питания Т[Е или нулевого потенциала Т(го.

- Для реализации на проектируемых структурах дополнительных логических функций (И, ИЛИ) в качестве корня выбирается: либо Т^™ - вершина,

Соответствующая области, на которую полается входной сигнал, либо Т,р|1ид -йершнна, соответствующая области, с которой снимается выходной сигнал.

2. Распространение полны от заданного корня - преобразование неориентированного графа 0(Х,А,Г) в ориентированный 0"(Х,Л,Г) - синтез структурной формулы ФИЭ.

3. Нашачение особых дуг (вывод полупроводниковых областей, соответствующих стокам особых дут, в следующий полупроводниковый слой).

4. Анализ на ЭВМ эквивалентной схемы интегральной структуры, соответствующей полученной структурной формуле ФИЭ с учетом параметров транзисторных структур различною типа (программа АЕ1-15, глава 5).

Примеры генерации структурных формул ФИЭ и соответствующие им интегральные структуры представлены на рис. 9.

Алгоритм синтеза структуры по структурной форм уде ФИЭ по математической модели ФИЭ выглядит следующим образом: от области, соответствующей корню дерева по вейлу графу распространяется волна. . Структурная формула "читается" в направлении стрелок. Каждой простои стрелке можно поставить в соответствие слова "содсржш" или "о... расположена".

Структурная формула, изображенная на рис. 9а, читается так:

область рчгч содержит области П}рз и П5Р5. О свою очередь, область П)ГЗ содержит область Рг , в которой расположена область п^1 , а в области П5Г5 содержится область р6р6 , в которой расположены области н?'7 н п«гз.

Данной структурной формуле соответствует обобщенная интегральная структура, изображенная на рис. 96.

Если кр|гтернем яаляется плотность компоновки, корнем дерева выбирается вершина у его основания (рис. 9д). В этом случае получается структурная формула комплементарного биполярного элемента с вертикальной интеграцией. Такой элемент формируется с помощью технологических операций, создакнши послойные полупроводниковые области с различным типом проводимости. Структура элемента, соответствующая структурной формуле (рис. 9д), показана на рис. 9с.

В структурной формуле возможны как простые, так и особые дуги. В этом случае часть элемента выполняется внутри полупроводника, часть на его поверхности.

Примеры! генерации структурных формул ФИЭ по математическим ¡ра-фовым моделям » соответствующие им интегральные структуры показаны на рис. 9,10. <

Разработаны в соответствии с методами генерации

- графический редактор,

- редактор описания технологического маршрута,

- библиотека готовых технологических и топологических решений.

Работа с библиотекой позволяет значительно облегчить процесс разработки новых конструкций ФИЭ.

Приведены примеры компьютерной генерации интегральных структур в биполярной, КМОП и КНС технологиях. Приведены результаты эволюционного моделирования а технологии "крёмний на изоляторе" К.МОП-ннгсртора, ФИЭ ТТЛ, ФИЭ ЭСЛ.

»1 И "3 Р4"5 Р6

Р2

ТТ

Д1 с)

Рис.9. Процедура генерации структурных формул интегральных структур, по математической модели ФИЭ8 '.

а) - структурная формула и 6) - структура элемента, выполнешгого по эпитаксиалЬно-планарной технологии,

в) - структурная формула и г) - структура элемента с локзльными эпи-" таксиальными областями,

д) - структурная формула и е) - структура вертикального трехмерного элемента.

|п? | гу Р» '

1.3 п5

Р«

с—•<&

П4 Рь

—)С

О—•! "г Рз\>-^

рЗ

т

ТЕП

Р®

пБ

3-й слой

п?

р1 - слоА

.Г.5

Р*

пг

рГ

п7

пЭ

ЮБ

Р5 »4 "3

Р1 » *

Р<

пг

Р5

пЗ

Р'

П

п

п

Рис. 10. Структурные формулы ФИЭ н ачписипг.укчлме мм шпс-гральные структуры. . ,

В пятой главе описынается этап схемотехнического моделирования эквивалентных схем ФИЭ, разработанных на предыдущих этапах синтеза математических моделей и генерации по модели интегральной структуры ФИЭ.

Приведено описание программных средств, используемых на этапе схемотехнического моделирования ФИЭ в САПР.

В качестве примеров работы системы автоматизированного проектирования ФИЭ в пленарной и трехмерной реализации на этапе схемотехнического моделирования эквивалентных принципиальных схем в транзисторной схемотехнике приведены результаты схемотехнического моделирования ФИЭ ЭСЛ, ФИЭ ИЛИ-НЕ и ФИЭ инжекционной ТТЛ.

В шестой главе приведено описание этапа математического моделирования интегральных структур ФИЭ, разработанных на этапах синтеза математических моделей, генерации по модели интегральной структуры ФИЭ и схемотехнического моделирования эквивалентной транзисторной схемы.

Дано описание программных средств, используемых на этапе математического моделирования структуры ФИЭ в системе.

Приведены результаты работы системы: автоматизированного проектирования ФИЭ в пленарной и трехмерной реализации на этапе приборно-схемотехнического моделирования ФИЭ для: КНИ/МДП-транзистора, ФИЭ4 комплементарного биполярного инвертора, ФИЭз Би-МОП-инвертора, ФИЭв ЭСЛ.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что все рассмотренные биполярные ФИЭ размерностью более 3: НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ, запоминающие и специальные элементы - являются комплементарными биполярными элементами, среди которых есть схемы, по мощности сравнимые с КМОП-схемамн, а по быстродействию с биполярными.

ФИЭ содержат меньшее количество полупроводниковых областей, р-п переходов и соединений, чем у транзисторных аналогов, что доказывает избы-, точность транзисторной схемотехники.

Лишние переходы и соединения элементов, их избыточная мощность порождают проблемы СБИС, построенных в транзисторной схемотехнике.

Для демонстрации неоптимальности транзисторных схем, было проведено сравнение различных схемотехнических базисов с их функционально шггегри-рованными аналогами.'

Сравнивались элементы, выполняющие одну и ту же или одинаковую по сложности логическую функцию.

Функционально-интегрированный элемент И-НЕ класса ТТЛ содержит не только меньшее число р-п переходов, чем транзисторные аналоги, но и его математические модели в максимальной степени приспособлены для трехмер-. ной реализации.

Так, например, один комплементарнйй биполярный элемент И-НЕ при использовании 7 полупроводниковых слоев различной проводимости на поверхности кристалла занимает площадь К эмиггерных областей, где К - количество входов логического элемента.

Элементы различных схемотехнических базисов сравнивались по числу полупроводниковых областей, числу р-п переходов, числу внутренних (между компонентами) соединений.

СрзянитслышА андлиъ ехемаклшмсски* базисо»

Таблица 5

Схемотехника ЦМОП-траизисторная схемотехника Биполярная транзисторная схемотехника Схемотехника ФИЭ

Элемент ТТЛ Й>Л ЭСЛ

Логическая функция И-НЕ И-НЕ И-НЕ ИЛИ-НЕ И-НЕ

Число полупроводниковых областей элемента 10 II 12 .22(12) 8

Число р-п переходов 9 10 II 21(11) 7

Число внутренних соединений 5 3 4 15(4) 1

Потребляемая мощность"' 4 3 5 2

Быстродействие** 5 3 4 1 2

Запасы помехоустойчивости"' 1 2 • 5 4 3

Информационная плотность"' 3 4 2 5 1

Сумма мест 10 13 14 15 3

Общее место -приоритет для использования в трехмерных ИС*> 2 3 4 5 1

*) - 1 - наилучший параметр............5 - наихудший параметр.

Также проводилось сравнение по мощности, быстродействию, запасам помехоустойчивости, информационной плотности. Результаты сравнений приведены в таблице 5.

По ряду показателей биполярные функционально-интегрированные элементы превосходят биполярные транзисторные элементы, а по сумме показателей превосходят даже КМОП-транзисторную схемотехнику.

В приложении приведены примеры сценария работы САПР ФИЭ и результатов ее использования - заявкй на изобретения - новые тпегрлпьные структуры ФИЭ.

ОБОЛОЧКА САПР ФИЭ. МАРШРУТ РАБОТЫ

ВЫБОР ЭЛЕМЕНТА. СТРУКТУРНАЯ БАЗА ДАННЫХ

-|...... ^■^^^внзддтшд^макап^]

|х]|а:Т|'Г' Г"»1"'Т|цшч 1 с»...—»»«г « &*м>у)>

I—1 ^Г »—~ ---

ежи [Кту«ле1гоа1|с1»г«)«е* 1",

Ц у« р;

X V»

Р .41 п»

ь.

- - 141

иг •о г* 8П Г'ЧУммг!

1.11 1» Э44 о.г л 9 » » « | !

и« 1» »М о «а 1.П

1.4 ""' И.111 о «г 4 74 • «1

ПРИМЕР РАБОТЫ САПР ©ИЭ. КЛОК СИНТЕЗА • МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФНЭ

И S

УП K« п

51«

к а

:зи и

JM О'«»

Gntíxr.scrz

И fr.'^p''* '• TV

■•Я

НЕ

ля*» ЧКЧй К 2 «

tiïmr =1 СЗЗ

JÄ tr":.«

ft i i ¡ i-l

"¿и" r, u • F"? »«04

1 я К Ж Si

та lie iП nrri

и a »» * 4 N

□LJ~ CÍ -y «

щ

Л « * i

{f w i«*«i <M»j

h^iT^r-^- « i .

1U

XX / ÏÏ!

SuD

КОМПЬКГГЕГНЛН Рг.'.ЛИУМПШ ГЕИЕРШНИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ Ci I'VKTYI' ФИ")

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЭ ЛЛИ-НЕ

ЛЁЩрШ,-

' ^АтВ.-Г»! ИV1N..4 ____л«**.———.. _

ШЬ тл ,

• 1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ БИ-МОП ФИЭ5

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ САПР ФИЭ В ПЛАНАРНОЙ И ТРЕХМЕРНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ

Система работает на компьютерах типа IBM PC (или совместимых). На ЭВМ должна быть загружена ОС MS OOS версии не ниже 3.0 с надстройкой в ииае графической оболочки Windows 3.1. Рекомендуется располагать систему на "жестком" диске. Рахчичные этапы могут работать как в оболочке системы, так и как отдельные модули. Технические характеристики системы предстаилены в таблице 6.

Таблица 6

ОГ)1ьС>.! программы SINT-GRAif 220 кБт

Требуемый объем ОЗУ 470 кБт

Требуемый объем дисковой плквтл ¡600 кБт

0£ъем программного стека 65520 Бт

Объем файла данных 2107 Бт

Необходимость сопроцессора рекомендуется

Манипулятор типа 'мышь" поддерживается

Видеорежим VOAHI -

Временные характеристики SINT-GRAFi- ШМ386 IBM486

Время загрузки I.t9 с 1.09 с

Среднее время построения изображения :

- инициализация (2 тр-ра) . 0.05 с 0.01 с

- вывод изображения (2 тр-ра) <3.06 с 0.01 с

- оптимизация (2 тр-ра) 0.6» с 0.12 с

- инициализация (5 тр-роа) 0.06 с 0.0» с

- вывод изображения (5 тр-ров) 0.С8 с 0.02 с

- оптимизация (5 тр-ров) 2.7 с 0.16 с

- инициализация (10 тр-ров) 0.1 с 0.02 с

- вывод изображения (10 тр-ров) 0.11 с 0.06 с

- оптимизация (10 тр-ров) 36.4 с 8.64 с

- инициализация (40 тр-ров) 1.3 с 0.12 с

- вывод изображения (40 тр-ров) 1.5 с 0.22 с

- оптимизация (40 тр-ров) 4 мин 26 с 1 мин 4

Доя включения в базу требуется около 0.2 сложности.

Объем программы ТОРН1БТ Требуемый объем ОЗУ Требуемый объем дисковой памяти Объем файла данных Необходимость сопроцессора Видеорежим

Временные характеристики ТОРШБТ

0.4 кВт для ФИЭ средней

340 кБг

470 кВт 600 кБт 2107 Бт не обязательно VGAH!

Среднее время эволюционного моделирования структуры кристалла ФИЭ не превышает 1 - 2 минуты.

Для включения в базу требуется окало 2 кВт для ФИЭ средней сложности.

Объем программы АЕЫБ 220 кВт

Требуемый объем ОЗУ 470 кВт

Требуемый объем дисковой памяти 600 кВт

Объем программного стека 65520 Бт

Необходимость сопроцессора рекомендуется

Манипулятор типа "мышь" поддерживается

Вндеорежим УОАН!

Временные характеристики АЕЫБ

Среднее время схемотехнического моделирования эквивалентной схемы ФИЭ, содержащей до 10 транзисторов составляет 2-8 мин. Время моделирования 'зависит от сложности схемы.

Для включения в базу требуется от ! до 10 кВт для ФИЭ средней сложности.

Объем программы ИСТОК-2 1500 кВт

Требуемый объем ОЗУ 470 кВт

Требуемый объем дисковой памяти 600 кБт

Объем программного стека 65520 Бт

Объем файла данных '2107 Бт

Необходимость сопроцессора рекомендуется

Манипулятор типа "мышь" поддерживается

Видеорежим УОАН!

Временные характеристики ИСТОК-2: Рекомендуется: 1ВМ486

моделирование перехода 30 минут моделирование транзисторной структуры 1-3 часа

моделирование Би-МОП ФИЭ; 4 -6 часов

Моделирование ФИЭ« ЭСЛ 5-7 часов

Для включения в базу требуется около 2 кБт для ФИЭ средней сложности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполненной работы решена научная проблема синтеза элементной базы нового поколения - 2х и Зх мерных функционально-интегрированных элементов БИС и СБИС, имеющих важное значение для создания устройств вычислительной техники, автоматики и систем управления. При этом получены следующие результаты:

1. сформулирована концепция решения общей задачи синтеза физической структуры ФИЭ в двух- и трехмерной реализации, инвариантной к типу технологии изготовления,

2. разработана методика структурною синтеза, представляющая взаимосвязанную соиокупность решения задач сшстсза математических моделей ФИЭ, гепераинн физической структуры, моделировании физической структуры и се эквивалентной схемы, выбор работоспособного элемента,

3. предложен аналитический метод сшпеза математических моделей ФИЭ и блоков ЭВМ (регистров памяти, арифметико-логических устройств, счетчиков, генераторов чисел, шифраторов, и тл.) в виде графов и таблиц, позволяющий избежать процедуры перебора, требующей больших временных затрат,

4. разработай компьютерный метод сшпеза математической модели ФИЭ, использующий бионический принцип наращивания, позволяющий резко повыагть эффективность направленного перебора возможных решений,

5. предложен метод генерации физической структуры ФИЭ по его графовой математической модели,

6. получена совокупность графовых математических моделей ФИЭ различной сложности, с помощью которых возможно предсказывать появление новых трехмерных элементов БИС,

7. разработана сквозная САПР ФИЭ, реализующая маршрут, синтез математической модели, генерация физических структур, анализ на уровне электрической схемы и физической структуры, выбор работоспособных вариантов - работа с параметрической и структурной базами данных,

8. получены новые конструкции шикарных н трехмерных ФИЭ с биполярной, И2Л, Би-МОП, М011/КНС структурой, защищенные авторскими свидетельствами н патентом, которые по сравнению с аналогами имеют большую степень интеграции и меньшую потребляемую мощность,

9. на конкретных примерах показана возможность синтеза физической структуры не только цифровых, но и аналоговых и сенсорных ФИЭ,

10. теоретические и практические результаты работы использованы при создании элементов БИС с функциональной интеграцией, разрабатываемых отечественной промышленностью, в частности: .

- на предприятии АО НПП "Сапфир" Ч1ри разработке КМОП, ТТЛ/И2Л БИС со структурой КНС/КНИ;

на предприятии НИИ "Пульсар" при создании злемештюй базы мощных "интеллектуальных" ИС со структурой ДМОП и ЮВТ с функционхтыюй интеграцией рабочих областей приборов,

- на предприятии ОКБ "Светлана" при проектировании логических БИС с повышенными требованиями к разбросу выходных параметров и энергии переключения, •

- материалы диссертации используются в учебном процессе в Московском государственном ннеппуте электроники и математики в курсе "Схемотехника ЭВМ", курсовом и дипломном проектировании.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Трубочкина Н.К., Глориозов ЕЛ., Рыбкин И.И. Об одном методе проектирования интегральных схем логических элементов. ВМД01440, МИЭМ, N 7, 1974, 5 с. '

2. Трубочкина Н.К. Глориозов Е.Л., Сыпчук П.П., Рыбкин И.И. Интегральная матрица для запоминающего устройства. Авт.свид. N 481940, Gll/c 11/34, 1974.

3. Трубочкина Н.К. Особенности САПР трехмерной элементной базы ЭВМ. Межвузовский сборник "Автоматизация проектирования вычислительных машин и систем", Рязань, 1990, с. 100.

4. Трубочкина Н.К., Глориозов ЕЛ., Сыпчук П.П. Об одном алгоритме проектирования топологии интегральных схем. В кн.: Труды МИЭМ "Автоматизация технического и схемотехнического проектирования", М.,1975, вып.56, с 23.

5. Трубочкина Н.К. Алгоритм двухэтапной трассировки соединений. В кн.: Труды МИЭМ "Автоматизация технического и схемотехнического проектирования", М.,1975, вып.56, с.41.

6. Трубочкина Н.К., Глориозов ЕЛ., Сыпчук П.П. Методика проектирования топологии. БИС на основе матриц логических элементов. Вопросы радиоэлектроники, серия АСУ, N 6, 1975, с. 106.

7. Трубочкина Н.К., Сыпчук П.П., Глориозов Е.Л. Алгоритм определения численности групп элементов с различным быстродействием для проектирования быстродействующих логических БИС. В кн. "Актуальные вопросы схемно-конструкторского проектирования и обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры", М., 1975, с, 104.

8. Трубочкина Н.К. Методы н особенности проектирования элементной базы для высокопроизводительных систем. Межвузовский сборник "Анализ и проектирование программного обеспечения и аппаратных средств вычислительных систем и сетей для САПР, ГАП и АСУ". М., МИЭМ, 1991, с. 68.

9. Трубочкина Н.К. Программа анализа элементов по быстродействию. Сб. тезисов "Пути и перспективы развития автоматизации проектирования быстродействующих ЭВМ. Л., 1977, с. 68.

10. Трубочкина Н.К., Глориозов Е.Л., Сыпчук П.П. Новый этап проекта- ' ровання топологии быстродействующих БИЛС. Сб. тезисов "Пути и перспективы развития автоматизации проектирования быстродействующих ЭВМ. Л., 1977, с.44.

11. Трубочкина Н.К., Петросянц К.О. Автоматизация проектирования переходной схемотехники, на диэлектрической подложке. Автоматизация и механизация, N 5, 1991.

12. Трубочкина Н.К. Проектирование БИС с заданным быстродействием. Электронная техника, серия 10, вып.4/10/, 1978, с. 50.

13. Трубочкина Н.К. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: "Разработка алгоритмов автоматиэировашюго проектирования топологии биполярных интегральных логических схем на основе матриц логических элементов", М., 1978, 190 с.

14. Трубочкина Н.К. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: "Разработка алгоритмов' автоматизированного проектирования топологии биполярных интегральных логических схем на основе матриц логических элементов", М., 1978, 24 с.

15. Трубочкина Н.К., Сыпчук П.П. Методы и алгоритмы проектирования топологии высокоскоростных БИС матричного типа. ' Сб.тезисов:

"Автоматизированное техническое проектирование электронной аппаратуры". Вильнюс, 1979, с. 134.

16. Трубочкина Н.К., Сыпчук П.П. Алгоритм размещения для матриц логических элементов наносекундного диапазона. В кн.:" Современная технология производства приборов, средств автоматизации и систем управления". М., 1980, с 71.

17. Трубочкина Н.К., Сыпчук П.П. Структура системы автоматизированного проектирования топологии БИС наносекундного диапазона. Сб. тезисов: "Автоматизация конструкторского проектирования РЭА и ЭВА". Пенза, 1979, с. 71.

18. Трубочкина Н.К. Проектирование быстродействующих БИС с минимальной мощностью рассеивания. В кн.: "Автоматизация проектирования радиоэлектронной аппаратуры и средств вычислительной техники'. УПИ, Свердловск, 1930, с. 100.

19. 'Трубочкина Н.К. Минимизация энергодинамического параметра больших шгтегральных схем. Вопросы радиоэлектроники, серия ТПО, вып. I, . 1984, с. 8.

20. Трубочкина Н.К., Сыпчук П.П. Интегральный пнжекшонный элемент с тонким инжектором. Авт. свид. N 1212240, М.. 1985.

2!. Трубочкина Н.К. Синтез на ЭВМ функционально-интегрированных элементов. Вопросы радиоэлектроники, серия ТПО, вып.1, 1985, с. 29.

22. Трубочкина Н.К., Сыпчук П.П., Трубникова Е.Н. Методика препода- . вання мнкроэлсктронной базы вычислительной техники на основе непрерывного использования ЭВМ в учебном процессе. Сблокладов 1 конференции социалистических стран по проблемам образования в области микроэлектроники. Будапешт, 1985.

23. Трубочкина Н.К. Моделирование функционально-интегрированных элементов минимального объема для микропроцессоров с максимальной плотностью упаковки. Сблезисов: "Микропроцессорные системы управления технологическими процессами в гибких автоматизированных производствах. М., 1985.

24. Трубочкина Н.К. Теоретические основы построения элементной базы микропроцессорных систем и средств роботизации. Сб.тезиссв: "Применение микропроцессорных средств и роботизации в городском хозяйстве". М., 1985, с. 28. ^

25. Трубочкина Н.К., Белоусова НЛ. Программа моделирования элементной базы микропроцессорных схем в классах инверторов и ТТЛ. Сб.тезнсов:" Применение микропроцессорных средств и роботизации в городском хозяйстве". М., 1985, с. 34.

26. Трубочкина Н.К. Аппарат структурных формул для синтеза и технологии интегральных структур функционально-интегрированных элементов. Вопросы радиоэлектроники, серия ТПО, вып. 3, 1986, с. 46.

27. Трубочкина Н.К. Элементная база трехмерных интегральных схем. М., МИЭМ, N 2657-В87, 1987.

28. Трубочкина Н.К., Белоусова Н.П. Математические модели элементов . И-НЕ для объемных интегральных схем. М., МИЭМ, N 7057-В87, 1987, 10 с.

29. Трубочкина Н.К.. Сыпчук П.П. Автоматизированный синтез элементов объемной схемотехники ЭВМ. Труды XY Всесоюзного совещания-семинара "Методы и средства САПР и ГАП микроэлектроники. Пути развития и внедрения". Симферополь, 19S7.

30. Трубачкина Н.К. Моделирование на ЭВМ комплементарных биполярных вертикальных полупроводниковых структур. Всесоюзное совещание "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах. Паланга, 1987.

31. Трубочкина Н.К. Математическое моделирование элементной базы трехмерных ЭВМ. Труды Первой Всесоюзной конференции "Физические и физихо-химичсские основы микроэлектроники". Вильнюс, 1987, с. 450.

32.' Трубочкина Н.К., Сыпчук П.П. Творческий поиск студентов в области разработки микроэлектронной базы современных ЭВМ. Труды Второй Международной конференции социалистических стран "Обучение в микроэлектронике". Варшава, 1987.

33. Трубочкина Н.К. Логические элементы статических БИС. Учебное пособие. М., МИЭМ, 1987, 81 с.

34. Трубочкина Н.К. Моделирование на ЭВМ и сравнительный анализ биполярных инжекционных инверторов. Межвузовский сб. "САПР БИС: перспективы и решения", М., 1987, с. 110.

35. Трубочкина Н.К. Математическое моделирование элементной базы трехмерных ЭВМ. М., МИЭМ. N 9135-В87, 8 с.

36. Трубочкина Н.К., Сыпчук П.П. Automation design of complementeral bipolar semiconducting strueturcs. Сборник научных трудов 1б-ой Югославской международной конференции MIEL-88. Югославия, 1988.

37. Трубочкина Н.К. Численное моделирование статических н динамических параметров субмикронных 'полупроводниковых комплементарных структур с вертикальной интеграцией. Сб.тезисов Всесоюзного совещания . "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и-полупроводниковых структурах". Ярославль, 1988, с. 124.

38. Трубочкина Н.К. Машинное моделирование комплементарных струк- . тур с вертикальной интеграцией. Сб.тезисов Y1 научно-технической конференции с международным участием "Микроэлектроника-88". Ботевград, НРБ, 1988, с. 5.

39. Трубочкина Н.К. Машинное моделирование комплементарных структур с вертикальной интеграцией. Сб. научных докладов YI научно-технической конференции с международным участием "Микроэлектроника-88". Ботевград, НРБ, 1988, с. 84.

40. Трубочкина Н.К., Кравченко В.А. Разработка трехмерной, элементной базы ЭВМ в условиях гибких производственных систем. Сб. тезисов YI научно-технической конференции с международным участием "Микроэлектроника-88". Ботевград, НРБ, 1988.

41. Трубочкина Н.К., Кравченко В.А. Разработка трсхмсг:той элементной базы ЭВМ в условиях гибких производственных систем. CG. научных докладов YI научно-технической конференции с международным участием "Микроэлеетроника-88". Ботевград, НРБ, 1988.

42. Трубочкина Н.К., Сыпчух П.П. Перспективы н проблемы создания трехмерной михроалектронной бдзы ЭВМ. Сблоклазов 6-го международного совещания "Микроэлектроника-88". Дрезден, ГДР.1988, с. Е 20/1.

43. Тру'оочкпна Н.К. Машинное моделирование функцнонально-шпегрированных элементов. М., МИЭМ, 19S9, 84 с.

44. Трубочкина Н.К., Сипчук П.П. Synthesis and computer simulation complement eral bipolar "AND-NOT" elements for three-dimentional integrated circuits. Сб. докладов 17-íi Югославской международной конференции MIEL-89. СФРЮ. 1SS9.

45. Трубочкииа U.K. Особенности САПР трехмерной микроэлсктронной база супер-ЭВМ на основе переходной схемотехники. Сб. докладов IX международной конференции КОМПКОНТРОЛ. Применение ЭВМ в технике is управлении производством. Братислава. ЧССР, 1989.

чб.. Трубочки;« Н.К. Особенности САПР трехмерных микропроцессорных сксте.м. Сб. тезисов Всесоюзной конференшш 'Микропроцессорные средства локг.:»кой автоматом. Гродно, I9S9.

47. Трубочкина Н.К. Теория сшпезз и проектирования пплуиросоднико-ьих прнОэрзи аь основе переходной схемотехники для трехмерных интегральных схем. С5. докладов YSÍ национальной научно-технической конференции с международным участием "/Ликгоэдекфоннка-ЗО", Варна. НРБ. 1990, с. 27.

4S. Трубочкина Н.К. О возможности создания трехмерных интегральных схем на основе переходной схеметехиихн. Микроэлектроника АН СССР, т.19, вып.1, 1990, с. 64.

49. Трубочкина Н.К., Петросянц К.О. Эволюционное моделирование интегральных структур на персональном компьютере. Межвузовский сборник "Анализ и проектирование программного обеспечения и аппаратных средств вычислительных систем и сетей для САПР, ГАП и АСУ". М., МИЭМ, 1991, с. 77.

50. Трубочкина H.1Í., Петроаша К.О. Заявка на изобретение "Инжекционный элемент И-НЕ". А-с. N 1744738А1, НОИ 27/04,1991.

51. Трубочкина Н.К. Синтез и математическое моделирование сенсорно-логических функцкэнально-шттеггнроваьних Х1:мс:ггов в гтнэрной и трехмерной реализации. Измерительная техника, N 5, 5594, с.16.

52. Трубочкина Н.К. Система автоматнзнремнного крооктирозалия цифровых, ииг.огог*эГи сенсорных функшюнально-тзгтегрг.роргиных схем в пленарной и трехмерной реализации. Сб.тезигоз всероссийской ti^ynio-техничзехой конференции "Датчик-94", Гурзуф, 193 í, C.45S.

53. Трубочкина Н.К., Петросянц К.О. Полоаапгльнсе решенье на выдачу патента Ni 94030054/25(029375) "Комплементарная биполярная схема И-НЕ", H01L 27/04,04.03.54.

54. Трубочкина Н.К. Программа синтеза математических моделей фуих-цион.-льно-шггегрированных цифровых, аналоговых и сенсорных элементов. Сб. тезиссз Y1I Всероссийской научно-технической конференин:; с участием зарубежных специалистов: "Датчики и преобразев.-ггел'.' информационных систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, 1995, тем 1, с. ¿70.

•О >