Специалист фирмы Intel Corporation Г. Мур отмечает, что для развития микроэлектроники характерны две закономерности — ежегодное увеличение в два раза количества схемных элементов в одном кремниевом чипе и пропорциональная зависимость стоимости разработки микросхем от их сложности. Например, на разработку большой интегральной схемы, выполняющей функции микропроцессора и содержащей более 450 тыс. элементов, требуется не менее двух лет. Стоимость конструирования такого устройства может превышать производственные затраты на изготовление всей партии чипов данной модели.
Рост стоимости конструкторской разработки интегральных схем привел к появлению новых, более производительных способов их создания. Для этих целей, кроме того, широко стали внедряться системы автоматизированного проектирования на базе ЭВМ (САПР), которые избавили разработчика от выполнения малопроизводительных операций. Эти нововведения могут оказать существенное влияние на промышленное производство микроэлектронной продукции. Разработчики систем, которые в настоящее время создают электронное оборудование из готовых чипов, поставляемых фирмами, специализирующимися на выпуске полупроводниковой продукции, теперь, возможно, сами станут конструировать нужные им интегральные схемы.
В настоящее время специальное назначение электронных систем в основном определяется программными средствами. Обычное электронное устройство состоит из нескольких программируемых чипов большой степени интеграции, таких, как микропроцессоры и запоминающие устройства, и нескольких более простых чипов, необходимых для обслуживания сложных устройств; все эти узлы собираются вместе и монтируются на печатной плате. Разработчик системы приспосабливает ее для определенных задач путем подбора входящих в систему компонентов и схемы их взаимного соединения, но функции системы определяются главным образом программированием микропроцессоров и блоков памяти.
Единственное, чего не в силах сделать разработчик, — это изменить внутреннюю структуру микросхемы. В последние пять лет появился ряд новых подходов в технологии микросхем, называемых «полузаказными», которые дают возможность системным разработчикам «дорабатывать» некоторые типы интегральных схем и получать нужные характеристики. Одним из таких микроэлектронных устройств, изготовленных по такой технологии, является «вентильная матрица» — чип, на котором несколько тысяч логических элементов (комбинаций схемных элементов, выполняющих простейшие логические функции) соединены рядами в строго определенном порядке.
Сами матрицы во всех чипах одни и те же, но конфигурация контактных металлических слоев, которая определяет схему соединения матриц, у разных чипов разная. Разработчик системы выбирает чип с нужной ему схемой меж соединений. Около 40 компаний уже производят такие вентильные матрицы. Некоторые из них выпускают САПР, которые помогают разработать схему соединений, обеспечивающих наиболее эффективное использование функциональных возможностей каждого чипа. Типичная САПР имеет библиотеку данных для соединения элементарных электронных логических ключей. Разработчик вводит в САПР описание логических функций проектируемого устройства, и система переводит это описание в топологию меж соединений.
Топология служит основой для изготовления фотошаблона, который позволяет получить металлические слои. Итак, вентильная матрица состоит из логических элементов. Составными блоками других микросхем полу заказной технологии, называемых стандартными ячейками, являются логические элементы, запоминающие устройства и центральные процессоры. Восемь фирм, специализирующиеся на производстве полупроводниковой продукции, уже поставляют в продажу кристаллы с набором стандартных ячеек. Изготовители указывают функции каждой ячейки и ее технические характеристики, такие, как, например, время прохождения сигнала.
С помощью САПР разработчик может комбинировать различные стандартные ячейки на одном чипе. Он разбивает систему на блоки, функционально соответствующие ячейкам, и составляет так называемые сетевые спецификации, в которых перечислены ячейки и указано, как они должны соединяться. САПР сама размещает эти ячейки и рассчитывает оптимальную схему меж соединений. В конечном итоге система выдает данные, по которым затем формируются все слои чипа. Стандартные ячейки позволяют разработчику при конструировании микросхем пользоваться большей свободой, чем вентильные матрицы, но и в этом случае он все же лишен возможности вмешаться во внутреннюю структуру самих ячеек.
К. Мид из Калифорнийского технологического института и Л. Конуэй из Научно-исследовательского центра Xerox в Пало-Альто разработали конструктивный подход к созданию специализированных интегральных схем, который полностью устраняет зависимость системного разработчика от фирм изготовителей. На его основе САПР смогут рассчитывать всю схемную компоновку каждого чипа, а не выбирать из банка данных готовые схемные блоки.
