Entwurf von Semicustom-Schaltungen

261 Pages·1989·6.578 MB·German

by  Dr.-Ing. Axel Kemper, Dipl.-Ing. Manfred Meyer (auth.)

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Herausgegeben von
Walter Engl
Hans Friedrich
Hans Weinerth
Axel Kemper· Manfred Meyer
Entwurfvon
Semicustom-Schaltungen
Mit 84 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewY ork
London Paris Tokyo Hong Kong 1989
Dr.-Ing. Axel Kemper Dipl.-Ing. Manfred Meyer
VALVO UB VALVO UB
Bauelemente der Philips GmbH Bauelemente der Philips GmbH
Support Zentrum Abt.OWE
Vogt-Kolin-StraBe 30 BurchardstraBe 19
2000 Hamburg 54 2000 Hamburg 1
Herausgeber der Reihe:
Prof. Dr. rer. nat. Walter L. ENG L Dr.-Ing. Hans FRIEDRICH
Institut fi.irTheoretische Elektrotechnik Siemens AG, HL BA
RWTHAachen BalanstraBe 73
KopernikusstraBe 16 0-8000 Munchen 80
0-5100 Aachen
Dr.-Ing. Hans WEI NERTH
Valvo Unternehmensbereich Bauelemente
der Philips GmbH
BurchardstraBe 19
0-2000 Hamburg 1
ISBN-13: 978-3-540-51561-6 e-ISBN-13: 978-3-642-95600-3
001: 10.1007/978-3-642-95600-3
CI P-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Kemper, Axel:
Entwurf von Semicustom-Schaltungen 1 Axel Kemper; Manfred Meyer.
Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo; Hong Kong: Springer, 1989
(Mikroelektronik)
NE: Meyer, Manfred:
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1989
Softcover reprint of the hardcover 15t edition 1989
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2068/3020-543210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Geleitwort der Herausgeber
Mikroelektronik entscheidet als SchlOsseltechnologie Ober den Fortschritt auf
vielen Feldern modernerTechnik und beeinfluBtdamitweite Bereichevon Produktion
und Dienstleistung.lndem sie Informations-und Kommunikationstechnik, Automati
sierungstechnik und Datenverarbeitungstechnik als Grundlage dient, ist sie gleich
zeitig die Basiseiner Informationsgesellschaft, in der neben Kapital undArbeitdie Ver
arbeitung von Daten eine zentrale Rolle einnimmt.
Angesichts der zentralen technischen und wirtschaftlichen Bedeutung der Mikro
elektronik muB es vorrangigesAnliegen sein, dievorhandenen Kenntnisse und Fahig
keiten auf diesem Gebiet zu verbessern, weiterzuentwickeln und zu publizieren, um
sie einem moglichst groBen Kreis Interessierten zuganglich zu machen.
Diesem Ziel dient die Buchreihe »Mikroelektronik«. Die Herausgeber haben sich
bemOht, fOr dieses umfassende Vorhaben ein fOr die deutsche Mikroelektronikland
schaft reprasentatives Autorenteam zu gewinnen, in dem Hochschulen, Forschungs
institute und die Industrie gleichermaBen vertreten sind.
Die Reihe behandelt aktuell und praxisnah nahezu aile Aspekte der Mikroelek
tronik, wobei neben den Grundlagen sowohl Entwurf, Fertigung und Test Integrierter
Schaltungen als auch Produkte und Anwendungen die Themenschwerpunkte sind.
Jeder Band ist einem bestimmten Einzelthema der Mikroelektronik gewidmet, wobei
Aspekte des Anwenders von Integrierten Schaltungen besonders berOcksichtigt
werden.
Walter Engl, Aachen
Hans Friedrich, MUnchen
Hans Weinerth, Hamburg
Ware die Mikroelektronik nur eine Domane hochspezialisierter
Halbleitertechnologen, beschrankt auf wenige Laboratorien,
so hatte sie wohl kaum eine "zweite industrielle Revolution"
bewirken kennen. Nicht prinzipielle Machbarkeit, sondern wirt
schaftliche Vorteile und neue Lesungen in immer neuen Einsatz
gebieten haben die Mikroelektronik zu einer Schlusseltechnologie
werden lassen.
Man muS kein Experte fur integrierte Schaltungen sein, um sich
dieser Basistechnologie fur das Informationszeitalter bedienen
zu kennen. Fast aIle Halbleiterhersteller bieten he ute auch
fur anwendungsspezifische Schaltungen (ASICs) leistungsfahige
Entwurfshilfen an, die ein hohes MaS an Benutzerfreundlichkeit
erlangt haben.
Das vorliegende Buch behandelt den Entwurf von Semicustom
Schaltungen: PLDs, Gate Arrays und Standardzellen-ICs. Der
Diskussion der fur ASICs verwendeten Technologien schlieSt sich
eine ausfuhrliche Darstellung des Aufbaus sowie der typischen
Eigenschaften von Semicustom-Sch~ltungen an. Den Themen "CAD
Werkzeuge" und "Testbarkeit" sind wegen ihrer Bedeutung eigene
Kapitel gewidmet. lur Anwendung der dort gegebenen Informationen
wird der praktische Design-Ablauf an Hand zweier uberschaubarer
Beispiele an einer Workstation demonstriert.
Unser liel war, dem Entwicklungsingenieur die fur einen ASIC
Entwurf wesentlichen lusammenhange aufzuzeigen, Anregungen und
weiterfGhrende Hinweise zu geben sowie dem Studenten einen
Einstieg in das Thema zu ermeglichen. Wir waren deshalb um eine
systematische Gliederung des Stoffes, um Klarheit im Text und
Aussagekraft der Bilder bemuht. Jedes Kapitel wird zusatzlich
von einem umfangreichen Literaturverzeichnis begleitet.
Wir danken unseren Kolleginnen und Kollegen aus dem Valvo Design
Zentrum in Hamburg, die mit ihren Iangjahrigen Erfahrungen viel
zu dem Buch beigetragen haben. Besonders die Unterstutzung von
Herrn Wolgang Teich bei fragen zur Technologie war uns eine
groBe Hilfe. Unser Dank gilt Her~n Direktor Dr. Hans Weinerth
fur seine forderung ais Herausgeber und den Mitarbeitern des
Springer-Veriages fur die vorbildliche Betreuung und die sorg
faitige Produktion.
Hamburg, im Oktober 1989 Axel Kemper, Manfred Meyer
Inhaltsverzeichnis
Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen
(ASICs) ..••.•.•.••••....•..••.•••...•••..••.•.•..•
1.1 Einordnung der Semicustom-Schal tungen •••••.••••••• 3
1.2 Wirtschaftlichkeit •.•••••••••••••••••••••••.•••••• 6
1.3 Anwendungsbereiche •••••••••••••••••••••••••••••••• 10
2 Technologien ••••••••.••••••••••••••••.••••••••••••• 14
2.1 Bipolare Halbleiterprozesse ••••••••••••••••••..••• 15
2.1.1 Schaltungsfamilien mit gesattigter Logik (TTL, I2L) 18
2.1. 2 Schaltungsfamilien mit ungesattigter Logik
(LSTTL, STTL, ECL) •••••••••.•••.••••••••••••••.••• 21
2.2 MOS-Prozesse •••••••••••••••••••••••••••••••••.•••. 25
2.2.1 MOS-Transistoren ••••••••••••••••••••••.•••••.•.••• 25
2.2.2 CMOS-Transistoren und Grundschaltungen •••••.•••••• 31
2.3 Kombinierte und neuartige Halbleiterprozesse .••••• 37
2.3.1 BiCMOS - Bipolar kombiniert mit CMOS ••.••••••••••• 37
2.3.2 SOl - Silizium auf Isolator 38
2.3.3 Galliumarsenid 40
3 Semicustom-Schaltungen •.•••••••••.•••.•.••••.••.•• 43
3.1 Programmierbare Logikschaltungen (PLD) ••••••.••••• 44
3.1.1 PLD-Archi tektur und Technologie ••••••••••••••••••• 50
3.1. 2 Bausteine mit zwei programmierbaren Ebenen (PLA) 55
3.1.3 Bausteine mit einer progra~mierbaren Ebene (PAL) 66
3.1.4 Programmierbare Makro-Logik (PML) ••••••••••••••••• 74
3.1.5 Programmierbare Zellen-Arrays (LCA) ••••••••••••••• 76
3.2 Gate Arrays ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 81
3.2.1 Grundsatzlicher Aufbau •••••••••••••••••••••••••••• 82
3.2.2 Hard- und Softmakros •••••••••••••••••••••••••••••• 86
IX
3.2.3 Signalverarbeitungsgeschwindigkeit ••••••••••••••• 89
3.2.4 Entwurfsphasen •••••••••••••.••••••••••••••••••••• 94
3.3 Standardzellen-Design •.•.••.••••.•.•.••••.•.••••• 96
3.3.1 Chipaufbau •••.•.••.•....•...•.•....•..•.••••...•. 97
3.3.2 Eigenschaften 100
3.3.3 Weiterentwicklungen 101
3.4 Vergleich aus Anwendersicht ••••••••••••••••••••• 106
4 CAD-Werkzeuge 111
4.1 Hilfen fur Machbarkeitsstudie und Systementwurf ••• 113
4.2 Unterstutzung beim Schaltungsentwurf 116
4.2.1 Eingabe von Schaltplanen •••••••••••••••••••••• 118
4.2.2 Logiksynthese ................................ . 120
4.2.3 Blockgeneratoren 123
4.2.4 Logiksimulation ••••••••••. 125
4.2.5 Test •••••••.••.....•••••.. 131
4.2.6 Plazierung und Verdrahtung ••••••••••••••••.•.• 132
4.3 Ubergabeformate fur CAD-Daten ••••••••.•••••••• 136
4.3.1 VDHL 137
4.3.2 EDlf 139
4.3.3 Clf 142
4.4 Rechenanlagen fur CAD ••••••••••••••••••••••••• 144
4.5 Auswahlkriterien fur CAD-Systeme •••••••••••••• 149
5 Design-Ablauf ................................ . 151
5.1 PLD-Design ..•••••.•••••.•••••••••••••••••••••• 152
5.2 Gate Array- und Standardzellen-Design ••••••••• 159
5.2.1 Schnittstelle Anwender/Hersteller ••••••••••••• 160
5.2.2 Schaltungs-Design 163
5.2.2.1 Gate Count 168
5.2.2.2 Hinweise zur Testbarkeit •••••••••••••••••••••• 170
5.2.2.3 Aufbau interner Busse •••••••••••••••••••.••••• 173
5.2.2.4 Zeitkritische Pfade .•••.•••.....•••.••..••.... 175
5.2.3 Netzwerkeingabe 176
5.2.4 Simulation 185
5.2.5 fehlersimulation in der Praxis 196
5.3 Gehausebauformen 200
x
6 Test von Semicustom-Schaltungen •••••••••••• 205
6.1 Motivation fur das Testen 205
6.1 .1 Testarten ................................. . 206
6.1.2 Fehlermodelle ............................. . 209
6.1. 3 Fehlerabdeckung und Defektrate ••••••••••••••••••• 210
6.2 Entwicklung von Testmustern 212
6.2.1 Fehler simulation 213
6.2.2 Automatische Testmuster-Generierung •••••••• 218
6.2.3 Test-Regein ............................... . 220
..............
6.3 Testfreundlicher Schaltungsentwurf 221
6.3.1 Allgemeine MaGnahmen •••.••••••••••••••••••••••••• 221
6.3.2 Scan-Techniken .•...........••.....•....••.. 223
6.3.3 Selbsttest ................................ . 226
......................................
Literaturverzeichnis 229
...........................................
Sachverzeichnis 242
1 Anwendungsspezifische integrierte
Schaltungen (ASICs)
Die Erfindung der integrierten Schaltung vor 30 Jahren legte
den Grundstein zur Mikroelektronik. Sie stellt aus heutiger
Sicht eine Basisinnovation dar, die den Lebensstil des Einzelnen
und sein Zusammenleben in der Gesellschaft wesentlich verandert
hat und auch in Zukunft stark beeinflussen wird.
Integration bedeutete hohere Packungsdichte, Zuverlassigkeit
und Geschwindigkeit und damit ein vollig neues Kosten/Nutzen
Verhaltnis pro Funktion. Die Gerateindustrie stand nicht
mehr unter dem Zwang, Losungen mit moglichst wenig aktiven
Bauelementen anzustreben, sondern konnte durch den Einsatz
integrierter Schaltkreise technisch aufwendigere Produkte ent
wickeln. Noch weit wichtiger aber war, daG neue Konzepte ver
wirklicht werden konnten, die vorher gar nicht denkbar waren.
Als Beispiele seien der Ersatz der Ferritkernspeicher durch
Halbleiterspeicher, die Entwicklung der Mikroprozessortechnik
sowie der allgemeine Obergang von der Analogtechnik zur Digi
taltechnik in vielen Bereichen genannt (Fernsprecher, Filter,
Obertragungstechnik, usw.). Insbesondere mit der Einfuhrung der
MOS-Technologien um 1970 konnte die Mikroelektronik in immer
neue Anwendungsfelder eindringen (Elektronisch gesteuerte Werk
zeugmaschinen, Industrie-Roboter, Gerate der MeG-, Steuer- und
Regelungstechnik, Taschenrechner, Personal-Computer, Compact
Disk, digitale Fernsehgerate, usw.) [1.1].
Aus ersten Anfangen ist eine leistungsfahige Halbleiterindustrie
erwachsen, deren standiges Bemuhen um kleinere Strukturen in
Wechselwirkung steht mit dem Wunsch der Anwender nach Integra-