第四章 可编程ASIC.pptVIP

第四章 可编程ASIC 有两种可编程的ASIC类型：可编程逻辑器件（PLD）和现场可编程门阵列（FPGA）。这两种类型区别甚微，真正的差别是它们的继承性。开始时，PLD只是作为能替代少量TTL的小器件，可现在已有所发展，看上去就像其较年轻的衍生代FPGA了。我们将这两种类型的ASIC都归为FPGA。 FPGA是系统设计者自己编程的芯片。IC芯片制造厂生产一些还没有连接的FPGA，你可进行设计的输入和仿真，接着，专用软件产生一串二进制位，描述需要完成设计的外加连接——配制文件。然后，将计算机连接到芯片上并对芯片进行编程，使其按照配置文件完成必要的连接。对于FPGA没有任何定制的掩膜层，因此，FPGA可作为标准部件大批量生产。 FPGA深受微系统设计者的喜爱，因为它填补了TTL和PLD设计与现代复杂且通常又昂贵的ASIC之间的空白。FPGA用于开发系统原型或小批量生产时非常理想。FPGA供应商不需要IC制造设备来生产芯片，而是与IC制造厂签约为其生产部件。他们常通过经销商售出芯片，而自己直接销售设计软件和必要的编程硬件。 所有的FPGA都有某些共同的要素。他们都有规则化的基本逻辑单元阵列，并用可编程技术进行配置。芯片输入和输出使用与基本逻辑单元不同的专用I/O逻辑单元。可编程互联方式形成这两种逻辑单元之间的连接。FPGA中的可编程技术决定了基本逻辑单元的类型和互联方式。由此也决定了输入和输出电路的设计以及编程方式。 可编程技术可以是永久性，也可以是非永久性的。一下几节将讨论不同的可编程技术。 4.1 反熔丝 反熔丝与常规的熔丝法相反——反熔丝在施加编程电流（约为5mA）之前通常是开路的。在多晶—扩散反熔丝中，小区域上高电流密度产生了大功耗，使多晶和扩散电极之间的薄绝缘介质融化并形成薄的（直径约为20nm）、永久的、电阻性的硅熔丝。编程过程也驱使掺杂原子从多晶和扩散极进入熔丝，最终由掺杂程度决定熔丝的电阻值。Actel称其反熔丝是可编程低阻抗电路元件(PLICE)。 然该器件是反熔丝的，但有时也称其为熔丝型，两种术语可以互换。 制造工艺和编程电流控制烧断的反熔丝平均电阻，电阻值变化如图所示。在特殊工艺中，5mA编程电流使烧断的反熔丝平均电阻约为500Ω。编程电流增加至15mA可使反熔丝电阻减小至100Ω。反熔丝隔开了FPGA芯片上的互联线，而编程器烧断反熔丝时便成永久连接。一旦反熔丝编程后，过程就不可逆了，这是一种OTP技术(而且是抗辐射的)。例如， Actel1010包含112000个反熔丝，但一般只需对Actel芯片上的约2%的熔丝进行编程。 烧断的反熔丝电阻。这里所列为5mA编程电流。 为了设计和编程FPGA，设计者需在设计输入和仿真之间进行多次迭代。当他们认为设计正确时，将芯片插入专用编程器的插座，此编程器成为激活器，可产生编程电压。PC将配置文件下载至激活器，指示其烧断芯片上需烧断的反熔丝。编程后，从激活器上取下芯片但不能损坏配置数据和装配进系统的芯片。此过程的缺点是具有数百条细金属引脚的现代封装在插座上操作的过程很容易受到损坏。另一些可编程技术的优点是可将芯片安装在印刷电路板上再进行编程——此特性成为在系统可编程(ISP)。 Actel的反熔丝技术使用改进的CMOS工艺。双金属、单多晶CMOS工艺一般采用12层掩模——Actel工艺需要另加3层掩模。N型反熔丝扩散和反熔丝多晶要求再加两层掩模，另加40nm的栅氧化层(作为高电压晶体管，可应用18v进行反熔丝编程)还需多1个掩膜步骤。 4.1.1 金属-金属反熔丝 图示为金属-金属反熔丝。熔丝是钨、钛、硅的合金，其体电阻率为500μΩcm。 与多晶-扩散反熔丝相比有两个优点。一个是金属反熔丝直接到金属连线层。而多晶反熔丝连到连线层还需要额外的空间，并产生附件的寄生电容。第二个优点是直接连到低电阻金属层更容易用大的编程电流减小反熔丝电阻。 反熔丝尺寸受制造IC的光刻设备分辨率所限。将反熔丝连接到金属层需要接触，而接触占据的空间比反熔丝本身还要大，这减弱了反熔丝小尺寸的优势。由于反熔丝非常小，以至于通常不是反熔丝本身而是接触和金属间隔设计规则限制了反熔丝的紧凑性。 反熔丝是有电阻的，加上接触后增加了寄生电容。如果串联的反熔丝数目