Разработка аппаратуры на кристалле

В трехуровневой структуре создания СБИС типа система на кристалле (разработка аппаратуры на кристалле - системный уровень, топологическое проектирование кристаллов СБИС - кристальный уровень, изготовление СБИС — производство на кремниевых отечественной промышленности наиболее неблагополучна реализация разработки на кремниевых фабриках. Для того, чтобы эффективнее использовать возможности одной-двух кремниевых фабрик только для субмикронной технологии, не говоря уже о глубокой субмикронной технологии, необходим новый подход к проектированию и изготовлению таких СБИС, кардинальный пересмотр требований к обеспечению производства, вложение крупных средств для переоснащения производства современным оборудованием и методологией обеспечения качества и надёжности перспективных СБИС с учётом опыта передовых зарубежных фирм. В современном подходе обеспечение сквозного маршрута проектирования, прототипов устройств на базе платформ базируются на использовании функционально законченных устройств-сложных функциональных блоков (СФ-блоков).

Новая методология проектирования и изготовления СБИС базируется на использовании сложных функциональных блоков, которые отработаны, верифицированы либо в кристалле, либо в ПЛИС и их можно многократно использовать в проектах различных схем СБИС типа система на кристалле. В то же время основными документами, определяющими требования к производству и являются ОСТ 11.20.9926-99 и ОСТ 11.14.1012-99, регламентирующие требования в производстве уровень минимального элемента 1,2 мкм и допустимую плотность дефектов не 00 ее 1 деф/см2. В перспективе реализация простых аппаратных ядер может быть осуществлена при норме не более 0,25-0,35 мкм, для более сложных ядер - при норме не более 10 мкм и допустимой плотности дефектов не более 0,1 деф/см. Ориентация отечественного производства на соответствующий уровень технологии СБИС требует пересмотра и приведения к современному виду нормативной документации по требованиям к производству СБИС в части операций технологического процесса, проектных норм и электрических характеристик параметров, требований гигиены к чистым помещениям; воды, газов и реактивов, используемых в производстве СБИС; сырья, материалов и комплектующих изделий (в особенности кремния). Создание новой методологии проектирования СБИС типа система на кристалле требует новых алгоритмов взаимодействия разработчиков систем, аппаратуры и производителей СБИС.

Реализация программных средств, синтеза и моделирования проектов, тестирования и верификации проектов СБИС на тонком субмикронном уровне, учет конструктивно-технологических норм и ограничений производится в дизайн-центрах проектирования СБИС, которые встраиваются в общую систему проектирования со стандартным интерфейсом и решают вопросы логического синтеза, синтеза топологии, верификации проектов. Определяющими параметрами в задании требований к полупроводниковому производству СБИС являются минимальный размер элементов и предельно допустимая плотность дефектов, повышенные требования электронной гигиены к чистым помещениям; воды, газов и реактивов, используемых в производстве СБИС; сырья, материалов и комплектующих изделий.

Повышенные требования к качеству пластин кремния и пластин кремния с слоями связаны с постоянным снижением минимального размера элемента СБИС, увеличением размера чипа, уменьшением плотности дефектов, ужесточением геометрических характеристик. Для создания качественной и надёжной продукции и продвижения её на рынок разработчики аппаратуры моделируют проект на системном уровне, проводят его отработку и верификацию, формулируют задание на языках описания VHDL или Verylog, совместно с разработчиками СБИС дизайн-центрами отрабатывают тесты и аппаратное устройство в кристалле. Тем самым для кристалла и аппаратуры осуществляется проектирование, моделирование, тестирование и верификация проекта в одной среде и при использовании СФ-блоков обеспечивается безошибочность проектирования, сокращение сроков разработки, качество и надёжность проекта.

В современном представлении в производстве обеспечение качества и надёжности СБИС опирается на процедуры квалификации кремниевых фабрик. Это подразумевает 2 уровня квалификации производства уровень 1 предназначен выявить недостатки процесса с точки зрения технологии, в первую очередь механизмы возможных отказов изделий исследованием на специально спроектированных для этой цели тестовых структурах, уровень 2 демонстрирует характеристики квалифицируемого процесса через проверку соответствующего функционального средства, включая проверку на срок службы. В настоящее время предлагаемая разработчикам РЭА серийно выпускаемая отечественная элементная база по техническим характеристикам значительно уступает зарубежному уровню, а ряд перспективных классов ИС, в том числе СФ и СБИС типа система на кристалле в России практически не выпускаются.

Переход в проектировании аппаратуры на СФ-блоках и СБИС типа система на кристалле и их реализация становятся возможными только при достижении минимальных размеров элементов СБИС 0,18 мкм и менее. Параллельное выполнение этапов проектирования систем с подготовкой производства СБИС должно привести к созданию широкой номенклатуры сложных электронных систем повышенного качества к 2010-2012 годам. Реализация СБИС с минимальным размером элемента 0,18 -0,25 мкм на 4-й год после принятая решения и начала финансирования работ и ускоренный в последующие 2 года переход на базовый размер 0,1-0,13 мкм позволит существенно сократить уровень технологического отставания (как минимум в 2 раза) от передовых зарубежных фирм.