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).