10.МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

10.МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

 Интегральная элементная база современных модульных систем автоматизации — большие интегральные микросхе­мы (БИС), обеспечивающие функциональную полноту соз­дания любых устройств и компонентов ИИС, ИУС. Увели­чение степени интеграции схем существенно расширяет номенклатуру (число) типов микросхем сред­ней степени интеграции (регистры, арифметические узлы, элементы памяти). Поэтому увеличение числа типов микросхем с переходом на схемы большой степени интег­рации (БИС) становится труднореализуемым. Решением проблемы стало создание микропроцессора как универ­сального (программируемого) устройства широкого при­менения, что привело к необходимости его специального программирования при использовании в системах децент­рализованного типа . Микропроцессоры создают на разной технологической основе, определяющей их быстро­действие, плотность монтажа, компактность и потребляе­мую мощность. Различают шесть основных технологиче­ских структур БИС, объединяемых в два больших класса (МОП и биполярные).

Технологическая структура МОП-микросхем (металл — окисел — полупроводник) обеспечивает большую плотность монтажа, но меньшее быстродействие, чем биполярная. Микросхемы р-МОП имеют высокое пороговое напряжение, самое низкое быстродействие и относительно высокое напряжение питания. Первые микропроцессоры такого типа (4004, 8008, РРS-25, РРS-8; IМР, РАСЕ и др.) применяли в основном для устройств низкого быстродей­ствия (например, калькуляторов).

Микросхемы технологии n-МОП имеют в 2—3 раза более высокое быстродействие, выше степень интеграции, поэтому эти микросхемы более универсальны в применении, хотя и труднее в изготовлении.

Микросхемы технологии КМОП характеризуются малой мощностью рассеяния (нановатты в статическом режиме), так как в дополняющей паре включен только один из двух “резисторов”, а быстродействие у них выше, чем у микросхемы технологии n-МОП. Они допускают широкий диапазон напряжений питания (один источник), а также имеют повышенные помехоустойчивость и стойкость к радиации, что делает их незаменимыми при использовании в особых условиях (космические исследования, атомная энергетика, а также в малых системах с батарейным питанием типа НР-IL и др). Дальнейшее развитие МОП-технологии микросхем приводит к увеличению их быстродействия (кремний на сапфире (КНС), D-МОП, V-МОП и др.).

Биполярные микросхемы (ТТЛ) появились в 1974 г. первоначально в виде кристаллов БИС ЗУ, а затем и функ­циональных схем и микропроцессорных элементов. При малой разрядности микропроцессоры на ТТЛ имеют обычно большое число регистров и высокое быстродейст­вие. К недостаткам относят: малую степень интеграции, высокую рассеиваемую мощность и сложность в изготов­лении.

Современные схемы с диодами Шоттки (ТТЛШ) имеют улучшенные характеристики: степень интеграции более до 400 эквивалентных вентилей на кристалл, вре­мя переключения менее 4 нс, мощность, потребляемая од­ним вентилем, снижена до 1 мВт. Выпускают схемы также в виде микропроцессорных наборов (1п1е1 3000, ММ-6701 и др.). Такие типы являются часто основой создания современных систем автоматизации (КАМАК, ЕВРОБАС).

Микросхемы ЭСЛ (эмиттерно-связанной логики) име­ют очень высокое быстродействие, но небольшую степень интеграции. Они потребляют большую мощность. Напри­мер, микросхемы фирмы Fairchild (США) имеют степень интеграции более 500 вентилей на кристалл при рассеи­ваемой мощности 1 Вт. Усовершенствование технологиче­ской структуры ЭСЛ (СМL) сокращает мощность до 400— 800 мВт на один вентиль.

Схемы интегральной инжекционной логики ИИЛ (или И2Л) свободны от ряда недостатков биполярных схем (низкая степень интеграции, большая мощность). Имея низковольтный источник питания (1 В), они приближают­ся по потребляемой мощности к микросхемам КМОП. Вы­сокое быстродействие достигается благодаря снижению па­разитных емкостей. Недостатком является утечка тока в цепи эмиттер — коллектор.

Для автоматизации быстропротекающих экспериментов (например, в области ядерной физики) находят широкое применение микросхемы ЭСЛ, на которых и собирают им­пульсные усилители, дискриминаторы, времязадающие и логические схемы устройств. Микросхемы ЭСЛ имеют ма­лое выходное (8 Ом), большое входное сопротивления и хорошую нагрузочную способность, поэтому они вытеснили транзисторные схемы и туннельные диоды. Управляющую логику для устройств первичной обработки создают на схемах ТТЛ, исходя из требований применяемого интер­фейса. В системах, требующих повышения бы­стродействия интерфейса в несколько раз, используют мик­росхемы ЭСЛ, например в системе ФАСТБАС,ЕВРОБАС и др.

Полузаказные БИС, занимающие промежуточное место между специализированными и матричными ИС, представляют собой базовые кристаллы (логические вентили) с незаконченным рисунком соединений. Последний слой соединений наносится с помощью одного шаблона или программируется в условиях эксплуатации заказчиком с помощью программаторов ППЗУ. Полузаказные матрицы логических вентилей выполняют по биполярной и МОП-технологиям. Более перспективным является создание универсальных мат­риц с электрически перепрограммируемыми элементами (ППЗУ).

Таким образом, успех создания современной элемент­ной базы систем автоматизации в свою очередь сильно зависит от уровня автоматизации всех этапов технологических процессов. Наряду с этим и микромодульное конструирование системных плат имеет ряд преимуществ. Можно разбить весь проект сложной системы на ряд плат и разделить их среди разных разра­ботчиков для сокращения общих сроков разработки си­стем. При неудовлетворении требованиям отдельной пла­той перерабатывается только она, а не вся система. При этом возможно приобретение подобных плат (модулей) у других разработчиков при условии стандартизации ин­терфейса на магистраль.

Преимущества проектирования модульных систем выходит за пределы системного развития. Здесь облегча­ются также решения проблем диагностики аппаратуры, осуществляются быстрее поиск и замена неисправной пла­ты. Кроме того, можно иметь резервные платы в целях увеличения надежности. Дополнительно к технологическим преимуществам новое поколение БИС позволит увеличить производительность модульных систем поэтапно, например заменив модуль памяти на другой, с большей степенью интеграции, или процессорный модуль на более высокопро­изводительный в тех же конструктивах. Более современная система с магистрально-модульной структурой должна иметь тщательную спецификацию, унифицированные средства, определенные в виде стандарта. Модули с магист­ральной структурой сопряжения создаются с меньшими за­тратами, производство их более технологично (автомати­зируется и тестируется). При выборе плат важным стано­вится не столько стоимость, сколько надежность и даль­нейшая поддержка их производителем (с учетом стоимости прямых и косвенных расходов). Модульный принцип со­здания систем обеспечивает также более быстрое создание программ.

Платы минимальных размеров (например, магистраль типа 5ТВ) используют, когда микропроцессор выполняет определенную фиксированную работу (простой контроль) по жесткой программе. Преимущество малых плат в том, что секция с платами может быть установлена в любом месте оборудования, что удобно для устройств ввода-вы­вода и связи с объектами. Этот размер плат целесообра­зен для встраиваемых микроподсистем, заменяющих схе­мы аппаратурного управления.

Платы среднего размера используют для более слож­ных задач. В системах на основе таких плат создают ПЗУ и ОЗУ, хотя ОЗУ энергозависимо и требуется перезапись (восстановление) при включении питания. Для этого ис­пользуют гибкие диски или сетевые связи к центральной ЭВМ для исходной загрузки программ.

Платы больших размеров наиболее практичны для многопроцессорных систем. В этом случае работу делят и присваивают ее части разным микропроцессорам, имеющим свою память и программы. Один или несколько процессоров создают на отдельной плате. На таких платах стре­мятся использовать двухпортовое ЗУ, т. е. две микропро­цессорные платы имеют доступ друг к другу и к общей памяти (на группу процессоров). Появляется возможность перейти от передачи сигналов к передаче сообщений, при этом стремятся иметь несколько магистралей в иерархии системы. Общая системная магистраль соединяется со всеми ло­кальными магистралями в системе. Модуль, содержащий встроенный процессор, называют “интеллектуальным”, и он может иметь свою внутреннюю магистраль, которая со­единяет функциональные микроэлементы на плате и со­единяется с системной магистралью, только когда необхо­димы общие коммуникации. Локальная магистраль позво­ляет встраивать микропроцессоры в плату модуля. Такая микроструктура и организация модульных систем откры­вает новые возможности по созданию высокопроизводи­тельных систем автоматизации измерений, сбора и анализа данных, а также управления процессами в реальном времени, так как однокристальные и одноплатные процес­соры каждого модуля выполняют одновременно свои за­дачи, используя локальные магистрали связи, а глобаль­ная связь используется только для их взаимодействия и обмена сообщениями. Эти задачи решаются в каждом конкретном случае с использованием современной новейшей элементной базы микроэлектроники как с точки зрения методологии создания аппаратурных и программных средств, так и с точки зре­ния реализации эффективных и производительных систем автоматизации в науке, технике и технологии.

Рассмотрим роль и место в обеспечении систем автоматизации элементной базой современной микроэлектроники НПО “ИНТЕГРАЛ”.

НПО “ИНТЕГРАЛ” было основано в 1971 году на базе двух конструкторских бюро и трёх заводов полупроводниковых приборов ,первый из которых начал работу в 1963 году. В бывшем СССР это объединение было самым крупным производителем полупроводниковых изделий для народного хозяйства и нужд обороны страны. В настоящее время в состав НПО “ИНТЕГРАЛ” входят пять заводов и четыре конструкторских бюро. Технологический уровень микроэлектронного производства НПО “ИНТЕГРАЛ” приведен в следующих таблицах. Типичные изделия ,которые позволяет уровень технологии производства реализовать следующие.

ИС электронных часов (до 60 тыс. транзисторов.

ИС школьных калькуляторов (4 – 10 тыс.транзисторов).

ИС инженерных калькуляторов (18- 20 тыс. транзисторов).

Микроконтроллеры 4-х разрядные ,микроЭВМ для бытовой аппаратуры.

Процессоры цифровой обработки сигналов (ЦОС) типа TMS32010 (58 тыс. транзисторов).

Микропроцессоры типа 8086 и микроконтроллеры типа 80С51 (30 тыс. транзисторов) 8-ми р.

ИС программируемых калькуляторов (180 – 200 тыс. транзисторов).

ИС сверх быстродействующие ( 150 тыс. – 1.5 млн. транзисторов).

Процессоры ЦОС типа TMS320С50 (160 тыс. транзисторов).

Микропроцессоры типа 80286 16-ти разрядные (130 тыс. транзисторов).

Микропроцессоры типа 80386 32-х разрядные (400 тыс. транзисторов).

Микропроцессоры типа 80486DX2 32-х разрядные (1.68млн. транзисторов).

Как показывает анализ этих данных удельный вес производимых на НПО “ИНТЕГРАЛ” ИМС в общем объёме мирового производства может быть достигнут до 87 % .

Конкретные разработки и перспективные изделия показаны в приведенных выше таблицах. К ним относятся :

Заказные ИС – ТТЛШ БМК (1250-2700вентилей),КМОП БМК (980-73000вентилей),БиКМОП БМК (1040 вентилей).

ИС стандартной логики – ТТЛШ 54/74 ALS,КМОП 4000А/В,КМОП 74НС/НСТ,КМОП 74АС/АСТ,КМОП 74 LV.

Дискретные приборы – Биполярные транзисторы, варикапы, МОSFET транзисторы,IGBT транзисторы.

ИС памяти – ЭСППЗУ (2К,8К), ОППЗУ (16К,64К),ПЗУ (16К,4М).

ИС для систем связи, ИС для телефонных аппаратов, ИС для ЛВС,ИС для интерфейса RS232C.

Стандартные линейные ИС – операционные усилители, компараторы, стабилизаторы напряжения.

ИС для бытовой электроники – ИС для телевидения, ИС для аудио-радиоаппаратуры, ИС для калькуляторов, ИС для электронных игр.

Микропроцессоры и микроЭВМ – 4-х,8-ми,16-ти разрядные микроконтроллеры и микропроцессоры.

Для реализации этих изделий в НПО “ИНТЕГРАЛ” используется САПР обеспечивающая полный цикл разработки изделий ,включая разработку функциональных и электрических схем, моделирование, разработку топологии, верификацию, перенос информации на магнитныне носители. При этом используется программное обеспечение PCAD,GLE,MENTOR 6.0,8.4,CADENCE 4.22.3,GDT, Silvaco. Дизайн – центр объединения содержит более 25 рабочих станций, а также более 50-ти IBM совместимых компьютеров.

10.1.Технико-экономическая эффективность и конкурентноспособность изделий, выпускаемых НПО “ИНТЕГРАЛ”.

Конкурентоспособность микроэлектронных изделий в пер­вую очередь обеспечивается применением оригинальных конст­руктивных решений, а также нетрадиционных методов проектирования, что подтверждено заключениями таких известны, фирм, как Motorola, LG Semicon. Так, например, сегмент рынка стандартных логических микросхем в США был удержан бла­годаря применению оригинальных методов оптимизации конст­рукции, которые позволили обеспечить быстродействие, соот­ветствующее аналогу даже при характеристических линейных размерах 2,0 мкм. Рынок изделий бытовой электроники (электрон­ные часы, калькуляторы) в Юго-Восточной Азии сохранен расширяется благодаря высокому качеству и низкой себестои­мости чипов, что обусловлено применением оригинальных тех­нологических процессов и относительно дешевых материалов. Аналогичные показатели качества продукции содействуют в настоящее время расширению зарубежных рынков в странах Средней Азии (Индия, Иран) и Ближнего Востока (Турция).

Учитывая, что ряд микроэлектронных изделий, таких как аналоговые и цифровые микросхемы для телевидения, радиотехники и аудиотехники, тракторной и автомобильной отрас­лей, промышленных систем управления, вследствие их специ­фических электрических характеристик не допускают умень­шения линейных размеров компонентов ниже 3—5 мкм, НПО “Интеграл” в сжатые сроки освоило и расширяет сферы рынка этих микроэлектронных изделий в СНГ, странах Восточной Ев­ропы и Азии (рис. 10.1). При этом конкурентоспособность из­делий обеспечивается соответствием электрических характери­стик мировому уровню и более низкими ценами.

В целом, в период с 1990 г. по 2001 г. на основе новых тех­нологий и методов проектирования в НПО “Интеграл” разрабо­тано и внедрено около 1700 типов новых изделий (рис. 10.1), что позволило увеличить объем выпуска изделий с 113 млн шт. до более чем 550 млн шт. в 2001 г. При этом объемы товарной продукции НПО “Интеграл”, достигнутые за счет новых изде­лий, увеличились в 1,46 раза.

Освоенные микроэлектронные изделия активно используют­ся предприятиями Республики Беларусь в промышленности и бытовой технике (телевизоры, автомагнитолы, электронные ча­сы, АТС, телефонные карточки, автомобильные и тракторные генераторы и др.). Большой объем микроэлектронных изделий (около 300 млн шт.) экспортируется в СНГ и дальнее зарубе­жье, причем важными рынками сбыта продукции являются Тайвань, Гонконг, США, Китай, Сингапур (рис. 10.2 — 10.6).