Исследование и развитие схем синхронизации сложнофункциональных блоков в системах на кристалле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Шевченко, Евгений Александрович

• Шевченко, Евгений Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шевченко, Евгений Александрович

Введение.

Глава 1. Проблемы проектирования схем синхронизации в системах на кристалле

1.1 Методология систем на кристалле, требования к схемам синхронизации.

1.1.1 Системы на кристалле (СНК) - новая методология проектирования.

1.1.2 Требования к схемам синхронизации СФ-блоков в системах на кристалле.'.

1.2 Известные решения

1.2.1 Синхрогенераторы с аналоговым управлением.

1.2.2 Распределенная система драйверов синхросигнала и данных.

1.2.3 Системы восстановления синхросигнала и данных (СЭЯ) с управлением задержками.

1.3 Экспериментальные исследования искажений сигналов в схемах синхронизации.

1.4 Рекомендации по проектированию схем синхронизации СФ-блоков в системах на кристалле.

1.5 Выводы к Главе 1.

Глава 2. Исследование и разработка схем синхрогенераторов.

2.1 Требования к синхрогенератору с ФАПЧ для СФ блока в СНК.

2.2 Построение ФАПЧ с генератором, управляемым цифровым кодом.

2.2.1 Кольцевой генератор, управляемый цифровым кодом, с многофазным выходом.

2.2.2 Частотный детектор.

2.2.3 Апериодический цифровой частотно-фазовый детектор.

2.2.4 Цифровой интегратор с ограничением.

2.2.5 Детектор знака разности фаз для демпфирования колебаний ФАПЧ.

2.2.6 Метод управления синхрогенератором с ФАПЧ с помощью двух независимых контуров управления и блока выбора режима.

2.3 Маршрут моделирования синхрогенераторов с цифровой ФАПЧ.

2.3.1 Средства САПР для систем синхронизации - цифровое и смешанное моделирование.

2.3.2 Маршрут и настройки для структуры с генератором, управляемым цифровым кодом.

2.4 Конструктив (топология) синхрогенератора с ФАПЧ для СФ-блоков в СНК.

2.5 Система инициализации (начальных установок) для синхрогенератора с ФАПЧ.:.

2.6 Выводы к Главе 2.

Глава 3. Построение систем восстановления синхросигнала и данных и распределения синхросигнала.

3.1 Восстановление синхросигнала и данных на цифровой линии задержки (Эластичный буфер).!.

3.2 Восстановление синхросигнала и данных с помощью фазовращателя.

3.3 Адаптивный драйвер.

3.4 Выводы к Главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и развитие схем синхронизации сложнофункциональных блоков в системах на кристалле»

Актуальность темы. Современная технология полупроводниковых микросхем обеспечивает создание изделий электронной техники, объединяющих на одном кристалле более миллиарда транзисторов.

При использовании традиционных методов проектирования для таких ультра БИС потребуются огромные трудовые и вычислительные ресурсы, а также новые программные средства- проектирования и совершенно нереальные финансовые затраты. Проблемы адекватного моделирования, связанные с возможностями САПР и вычислительной техники, начинаются с уровня сложности в несколько миллионов вентилей на одном кристалле БИС. Задачи проектирования ультра БИС в современных условиях решаются путем использования новой методологии "систем на кристалле" (СНК). "Системы на кристалле" — это метод проектирования микросхем на основе ранее разработанных и многократно используемых сложнофункциональных блоков (СФ-блоков). Причем, моделирование работы СНК осуществляется на основе поведенческих моделей СФ-блоков, описанных на языке высокого уровня. Ключевой элемент новой методологии — это конструктивная совместимость СФ-блоков на кристалле СНК без моделирования их взаимного влияния на вентильном и транзисторном уровнях. Самыми чувствительными к конструктивной реализации и влиянию соседних блоков являются схемы синхронизации информационных потоков в БИС. Практическая реализация новой методологии невозможна без создания универсальных и помехоустойчивых СФ-блоков для синхронизации работы СНК. Проблема создания высокочастотных блоков синхронизации обсуждается в технической литературе как одна из самых актуальных задач современной схемотехники. Для рабочих частот до 100 МГц эффективно используются методы цифрового синтеза сигналов. Для частот выше 2000 МГц применяются средства микроволновой техники. Наиболее сложная ситуация в диапазоне 100-1000 Мгц. Для блоков синхронизации этого диапазона, удовлетворяющих всем требованиям методологии "систем на кристалле", по опубликованным данным, эта проблема полностью не решена.

При проектировании блоков системы синхронизации требуется совместно выполнить два важных условия: обеспечить помехоустойчивость устройства и точность выходных параметров в заданных пределах, а также согласовать задержки сигналов и скорости потоков данных в связях между блоками СНК.

Помехоустойчивость можно повысить во много раз, используя цифровые методы обработки сигналов. Однако алгоритмы формирования и обработки сигналов очень сложны, а дискретный характер кодов ограничивает уровень точности и скорости их обработки. При выбранном технологическом уровне требуемые в СНК точность и частота синхросигналов не могут быть реализованы только цифровыми методами.

Поэтому перспективным является использование комбинированных методов, в которых ключевые функции реализуются аналоговыми блоками, а все остальные - цифровыми. В современной схемотехнике комбинированные аналого-цифровые устройства синхронизации исследованы недостаточно.

В связи с вышеизложенным, тема диссертации, посвященная развитию схем синхронизации сложнофункциональных блоков в системах на кристалле, является важной и актуальной.

Цели и задачи диссертации.

Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования блоков синхронизации для СНК работающих в диапазоне частот 100-1000 МГц, обладающих требуемой точностью параметров и высокой помехоустойчивостью, а также комплекса технических решений, реализуемых по технологии ультра БИС.

Развитие систем локальной синхронизации в СНК следует провести за счет схемотехнических средств, на основе КМОП технологии с минимальным топологическим размером 0.25 мкм и менее, с учетом возможностей этой технологии.

Системы локальной синхронизации в СНК следует разработать преимущественно на цифровых элементах с заменой остальных блоков их уеп^ моделями. При этом должны быть исключены внешние элементы и уменьшена площадь системы.

Для достижения поставленных целей в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования помех и искажений сигналов в блоках синхронизации для субмикронных КМОП БИС.

2. Предложен способ объединения схем синхронизации для СНК в универсальные базовые модули.

3. Разработан новый маршрут моделирования высокочастотных блоков синхронизации БИС, обеспечивающий достижение высокой точности моделирования при умеренных затратах времени и вычислительных ресурсов.

4. Разработан комплекс технических решений на уровне изобретений, обеспечивающих создание схем синхронизации БИС в соответствии с методологией СНК. Выполнена патентная защита новых технических решений.

5. Подготовлены рекомендации по проектированию на основе количественных оценок параметров базовых модулей синхронизации.

6. Эффективность маршрута проектирования и новых технических решений показана на примерах разработки реальных "систем на кристалле" и при проведении экспериментальных исследований полученных решений.

Научная новизна полученных результатов. 1. Разработана новый эффективный маршрут проектирования высокочастотных блоков синхронизации БИС, обеспечивающий максимально достижимую точность моделирования при многократном сокращении времени расчетов и требуемых вычислительных ресурсов, и включающий три уровня детализации модели блока синхронизации: уровень поведенческого описания всех узлов блока; уровень смешанного транзисторно-вентильного моделирования; уровень точного транзисторного моделирования с учетом емкостей линий связи, сопротивлений шин питания, индуктивностей выводов корпуса и элементов на плате;

2. Предложена модульная организация подсистемы синхронизации СНК. Определены структура и состав универсальных базовых модулей подсистемы синхронизации:

- модуль формирования опорного синхросигнала и сигналов инициализации системы;

- модуль синтеза высокочастотных синхросигналов;

- модуль синхронизации входного потока данных;

- модуль формирования выходного потока данных;

3. Предложены методы функциональной и схемотехнической организации для базовых модулей подсистемы синхронизации СНК на примере: цифрового синтезатора высокочастотных синхросигналов, управляемого многофазного кольцевого генератора синхросигналов с элементами подавления неосновных колебаний, адаптивного драйвера сигнальной линии, обеспечивающего постоянную задержку сигнала в линии при изменении нагрузочной емкости более чем в 100 раз;

Новизна технических решений подтверждена при проведении экспертизы заявок на изобретения.

Практическая значимость результатов работы: 1. Выявлены и исследованы на тестовых кристаллах и путем моделирования основные причины искажений синхросигналов в базовых модулях подсистемы синхронизации СНК. Разработаны рекомендации по исключению искажений.

2. Получены практические оценки основных параметров модулей синхронизации для СНК на основе ЬСМОП технологии с проектными нормами 0.25 мкм.

3. Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда новых изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Результаты практических разработок отражены в Актах внедрения

4. Патенты и заявки на изобретения обеспечивают патентную защиту новых изделий электронной техники.

5. Результаты диссертации используются в учебных программах по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в Московском Государственном техническом университете имени Н. Баумана и по курсу "Проектирование систем на кристалле" в Институте проектирования приборов и систем при Московском Государственном институте электронной техники.

Реализация результатов работы:

Основные результаты диссертации в полном объеме использованы в ООО "Юник Ай Сиз", г. Москва, при выполнении ОКР по разработке трех новых изделий электронной техники. Маршрут моделирования высокочастотных блоков синхронизации использован в НИР при проектировании микросхемы рентгеновского сенсора в НИИ Физических Проблем им. Ф. Лукина (г. Москва). Основные принципы построения блоков синхронизации в СНК включены в учебные планы по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в МГТУ им. Баумана и по курсу "Проектирование систем на кристалле" в Институте проектирования приборов и систем при МГИЭТ.

Эффективность предложенных технических решений подтверждена при их внедрении в изделия электронной техники, разработанные в ООО "Юник Ай Сиз": а) Приемопередатчик универсальной последовательной шины для связи между компьютером и периферийными устройствами (интерфейса USB версии 2.0); б) Однокристальный проигрыватель сжатых аудиофайлов (шрЗ- плейер); в) Аналого-цифровой преобразователь в аналоговом интерфейсе для жидкокристаллических мониторов и телевизоров.

Положения, выносимые на защиту:

1. Последовательная детализации модели при проектировании модулей синхронизации СНК обеспечивает достижение высокой точности моделирования при умеренных затратах времени и вычислительных ресурсов, и включает три этапа: расчеты с использованием поведенческих моделей для всех узлов модуля; смешанное транзисторно-вентильное моделирование; точные расчеты на транзисторном уровне с учетом влияния элементов конструкции СНК, включая расчеты для цифровых модулей, если в них используются адаптивные алгоритмы настройки.

2. Предложен комплекс новых технических решений, направленных на замену аналоговых узлов базовых модулей цифровыми с использованием цифровых адаптивных алгоритмов, использование которых позволяет легко изменять базовые модули подсистемы синхронизации СНК для каждого конкретного проекта.

3. Новая структура управления синхрогенератором с использованием двух независимых контуров воздействия и блока выбора режима, а также новые технические решения для построения модуля универсального синтезатора синхросигналов обеспечивают минимальное время захвата и низкий уровень фазовых шумов синхрогенератора с петлей ФАПЧ.

4. Предложена новая структура многофазного кольцевого генератора, управляемого цифровым кодом и формирующего более двух фаз выходной частоты, в которой подавление неосновных колебаний достигается введением дополнительных гистерезисных элементов.

5. Разработан новый алгоритм автоматического изменения нагрузочной способности выходного каскада и практическая схема цифрового адаптивного драйвера сигнальной линии, обеспечивающие постоянную задержку сигнала в линии.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Шевченко, Евгений Александрович

4.4 Выводы к Главе 4.

- Применение новых технических решений и маршрутов проектирования, заявленных в Главах 2 и 3, позволило разработать ряд новых устройств на уровне лучших мировых достижений в области проектирования СБИС и СНК.

- Разработанные системы характеризуются следующими параметрами: синхрогенератор с двумя контурами управления и блоком выбора режима на коммутируемых конденсаторах для последовательного интерфейса USB 2.0 - выходная номинальная частота 480 МГц, коэффициент умножения 10, диапазон перестройки частоты от 230 до 900 МГц, площадь, занимаемая Л на кристалле 75000 мкм (300x250 мкм) при изготовлении по 0.25 мкм КМОП технологии, время захвата порядка 5 мкс, мгновенная нестабильность частоты (джиттер) 3% (порядка 50 пс); синхрогенератор для проигрывателя сжатых аудиофайлов трЗ-плейера -выходная номинальная частота 384 МГц, диапазон частот от 320 до 480 МГц, коэффициент умножения 32, площадь, занимаемая на кристалле 0.25 Л мм при изготовлении по 0.18 мкм КМОП технологии, время захвата порядка 10 мкс, мгновенная нестабильность частоты (джиттер) 5% (порядка 60 пс); синхрогенератор высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя

- диапазон выходных частот 150-600 МГц, переменный коэффициент умножения, площадь, занимаемая на кристалле 0.25 мм2 при изготовлении по 0.25 мкм КМОП технологии, время захвата порядка 10 мкс, мгновенная нестабильность частоты (джиттер) 3% (порядка 40 пс);

- Измерения полученных в кремнии образцов и результаты исследования разработанных макетов подтвердили правильность технических решений, заявленных в Главах 2 и 3, и эффективность используемых маршрутов проектирования и моделирования.

Заключение

Основным результатом диссертации является разработка методов проектирования блоков синхронизации для СЕК, не имеющих внешних элементов, обладающих высокой помехоустойчивостью, работающих в диапазоне частот 100-1000 МГц, и комплекса технических решений, реализуемых по технологии ультра БИС.

При исследовании проблем проектирования модулей синхронизации получены наиболее существенные результаты:

1. Предложена модульная организация подсистемы синхронизации СНК, обеспечивающая универсальность в разработке новых систем. Определены структура и состав базовых модулей.

2. Разработан новый маршрут моделирования модулей синхронизации СНК, включающий три взаимосвязанных уровня детализации модели:

- уровень поведенческого моделирования;

- уровень смешанного транзисторно-вентильного моделирования;

- уровень точного транзисторного моделирования с учетом параметров элементов конструкции СНК;

3. Предложен комплекс технических решений для базовых модулей подсистемы синхронизации СНК на основе цифровой схемотехники, заменяющей аналоговые узлы.

- модуль формирования опорного синхросигнала и сигналов инициализации системы;

- модуль синтеза высокочастотных синхросигналов;

- модуль синхронизации входного потока данных;

- модуль формирования выходного потока данных;

Новизна технических решений подтверждена патентами на изобретения и полезные модели, а также положительными заключениями патентной экспертизы.

4. Выявлены и исследованы на тестовых кристаллах и путем моделирования основные причины искажений синхросигналов в базовых модулях подсистемы синхронизации СНК. Разработаны рекомендации по исключению искажений.

5. Получены практические оценки основных параметров модулей синхронизации для СНК на основе КМОП технологии с проектными нормами 0.25 мкм и 0.18 мкм.

6. Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда новых изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Результаты практических разработок отражены в Актах Внедрения.

7. Патенты и заявки на изобретения обеспечивают патентную защиту новых изделий электронной техники.

8. Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в Московском Государственном техническом университете имени Н. Баумана и по курсу "Проектирование систем на кристалле" в Институте проектирования приборов и систем при Московском Государственном институте электронной техники.

9. Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения и полезные модели и 7 заявками на изобретения.