Kopioi artikkelin
PDF-versio
Mikropiirien valmistuksen ääripäät ovat nykyään hyvin kaukana toisistaan niin prosessoinnin kuin suunnittelunkin suhteen. Kokonainen prosessilinja voi olla pyhitetty yhden tai muutaman massakomponentin valmistukseen, esimerkiksi tietyn DRAM-tyypin tai kulutuselektroniikkaan tarkoitetun ASIC-piirin. Toisessa ääripäässä täysin räätälöityjä ASIC-piirejä saa MPW-palveluiden (Multi Project Wafer) kautta kymmenen kappaleen erissä kohtuulliseen hintaan.
Myös suunnittelun työkalut eroavat kuin yö ja päivä. Piiri voidaan suunnitella unix-pohjaisessa työasemaverkossa järeillä EDA-ohjelmistoilla ja valmiilla makrosoluilla tai syntetisoitavilla VHDL-ytimillä, jotka voivat pitää sisällään vaikka kokonaisen signaaliprosessorin. Toisaalta Internetistä on ladattavissa yliopistoissa PC-ympäristöön kehitettyjä ilmaisohjelmistoja, joilla voidaan piirtää suoraan yksinkertaisen piirin layout. Asteikon halvasta päästä löytyy ratkaisuja, joita pienenkin yrityksen kannattaa harkita saisiko laitteen suunnittelusta suoraan piille ehkä jotain etua?
Moniprojektiajojen (MPW) ideana on kerätä suuri joukko toimeksiantajia, joista kukin varaa pienen alueen piikiekolta, jolloin piirinteon suuret aloituskustannukset voidaan jakaa usean tahon kesken. Kustannuksia on alentanut myös moniprojektiajojen muuttuminen monien prosessitalojen vakiotuotteeksi ja erityisten "piinvälitystoimistojen" syntyminen.
Internetillä on oma osuutensa moniprojektiajojen yleistymisessä, sillä verkon kautta on tehokasta jakaa tietoa suunnittelusäännöistä ja solukirjastoista sekä koota eri tahojen suunnittelemia piirejä yhdelle kiekolle. Internetistä löytyviä prosessinvälittäjiä ovat CMP ja Europractice vanhalla mantereella sekä alan pioneeri MOSIS Yhdysvalloissa. Kotimaassa VTT Elektroniikka tarjoaa moniprojektiajoja 0,8 mm BiCMOS-prosessillaan, johon voi yhdistää nopeita (ft = 16 GHz) bipolaaritransistoreita.
Esimerkiksi MOSISin kautta saa minimissään viisi koteloitua 2,2 x 2,2 millimetrin mikropiiriä noin tuhannella markalla kappale, kun piirit toteutetaan AMIn prosessilla, joka yhdistää 1,2 mm CMOSin ja vähäkohinaiset bipolaaritransistorit. Koska pelkistä monikerrospiirilevyistä joutuu protomäärissä maksamaan noin tuhat markkaa kappaleelta, pienenkin yrityksen kannattaa harkita elektroniikan suunnittelua suoraan piille. Piirien valmistusajat ovat kuukausia, joten mistään "rapid prototypingistä" ei ole kyse.
Jos prosessointihinta ei sisällä kotelointia, Selmic Oy ja Detection Technology tarjoavat kotimaassa kotelointi- ja bondauspalveluita myös pienille piirimäärille. Näiden yritysten kautta on mahdollista saada myös eksoottisempaa kotelointia, kuten Ball Grid Array tai sirun bondaus suoraan piirilevylle ilman koteloa.
Prosessitalo saa mikropiirin suunnitelman tyypillisesti GDS II -tiedostona, joka sisältää piikiekolle kasvatettavien kerrosten geometrisen kuvauksen, hieman samaan tapaan kuin Gerber-tiedosto kuvaa piirilevyn johdotusgeometrian. GDSII-kerroksiin sisältyy tyypillisesti kahdesta neljään metallointikerrosta, jotka vastaavat piirilevyn johdotuskerroksia; sekä joukko eristeen kontaktiaukkoja kuvaavia kerroksia, jotka vastaavat piirilevyn via-karttaa ja poraustiedostoa. Kerrokset täytyy tietenkin piirtää noudattaen prosessikohtaisia suunnittelusääntöjä, joissa määritellään esimerkiksi kuinka kaukana kahden johtimen pitää olla toisistaan tai kuinka paljon metalloinnin pitää ulottua kontakti-ikkunan reunojen yli.
GDSII-formaattia voi tuottaa ilmaisilla piirto-ohjelmilla, kuten LASI (MS-DOS) ja Magic (Linux), minkä lisäksi on olemassa kaupallisia konversio-ohjelmia, jotka muuttavat AutoCad-formaattia GDSII:ksi. Esimerkiksi VTT ottaa layoutit vastaan myös suoraan AutoCadina. Hieman vakavampaan suunnittelutyöhön kannattaa harkita Tanner Researchin varsin suosittua ohjelmapakettia, joka hinnaltaan vastaa tavallista piirilevyohjelmistoa (kokoonpanosta riippuen tuhansista kymmeniin tuhansiin markkoihin).
Valitettavasti GDSII-tiedosto sisältää myös eksoottisempia kerroksia, joille ei löydy vastinetta piirilevypuolelta. Vastusten muodostaminen resistiiviseen polypii-johdotuskerrokseen on vielä varsin suoraviivaista, mutta esimerkiksi ioni-istutusikkunoiden piirtäminen MOS-transistorien muodostamista varten vaatii jo puolijohdefysiikan tuntemusta ellei sitten tyydy kopioimaan transistoreita piirivalmistajalta mahdollisesti saaduista layout-esimerkeistä. GDSII-tiedoston kaikkien kerrosten piirtäminen itse on toki mahdollista ja sille on nimikin: full custom -suunnittelu.
Onneksi monet mikropiirivalmistajat ovat luoneet valmiita solukirjastoja, joihin tyypillisesti sisältyy digitaalisia SSI- ja MSI-toimintoja, kuten portteja, kiikkuja ja puskureita, sekä analogisia alkioita, kuten operaatiovahvistimia ja jännitereferenssejä. Nämä solut ovat valmiita GDSII-lohkoja, joissa kaikki tarvittavat kerrokset ovat paikoillaan, joten transistoritason suunnittelua ei tarvitse tehdä.
ASIC-piirin suunnittelijan tehtävänä on valita kirjastosta sopivat solut, sijoitella ne käytettävissä olevalle piialueelle ja vetää soluja yhdistävä johdotus. Tämä muistuttaa piirilevyn suunnittelua: valitaan komponentit, sijoitellaan ne piirilevylle ja vedetään johdotus. Solukirjastojen laatijat pitävät usein solujen sisäisen rakenteen omana tietonaan. Suunnittelija näkee silloin layoutissa vain harmaan laatikon sekä kontaktit, joiden kautta soluun liitytään, ja piirin valmistaja täyttää harmaan laatikon todellisilla rakenteilla vasta saatuaan suunnitelman prosessoitavaksi. Langoituksen voi vetää yksinkertaiseen piiriin käsinkin, mutta Magicista ja Tannerin L-Editistä löytyy myös solujen automaattinen sijoittelu ja routeri.
Solukirjaston saa tyypillisesti ilmaiseksi prosessinvälittäjältä, kunhan allekirjoittaa vaadittavat salassapitosopimukset. Lisäksi kirjasto pitää saada formaatissa, jota suunnittelutyökalu ymmärtää. Koska ammattimaiset VLSI-suunnittelijat käyttävät järeitä ohjelmistoja, kuten Mentor Graphics, Cadence tai Synopsys, useimmat suunnittelun tukipaketit on tarkoitettu näille työkaluille. Tannerin kohtuuhintaista L-Editiä tuetaan myös melko laajasti.
Ainakin Europracticen tukipaketissa Alcatel-Mietecin 0,7 mm CMOS-sekasignaaliprosessille luvataan tuki myös GDSII:n mustille laatikoille, samoin CMP:n tukipaketissa AMS:n 0,8 mm CMOS:lle. Kun kysyin asiaa Mietecin insinööreiltä, he kertoivat, että itse asiassa myös esimerkiksi Mentorin ja Cadencen tukipakettien solukirjastot löytyvät myös GDSII-muodossa, jota ilmaistyökalut periaatteessa ymmärtävät. On siis oletettavissa, että ilmaistyökaluilla voi vaivaa nähden suunnitella piirejä lähes mille hyvänsä tarjolla olevista prosesseista.
CMP:n kotisivut kertovat tuesta Alliancelle (ilmainen piirisynteesiohjelmisto) ja Magicille ATMELin 0,7 mm ja AMS:n 1,2 mm prosessin yhteydessä.
Paitsi layoutin teon helpottuminen, valmiiden solukirjastojen etuna on se, että solufunktioiden toimivuus on tarkistettu ja niiden suoritusarvot on spesifioitu. Soluille toimitetaan tavallisesti myös Spice-simulointimallit. Piirin huolellinen simulointi onkin tärkeää, koska valmista mikropiiriä ei voi korjailla hyppylankavirityksillä, kuten piirilevylle rakennettua laitetta. Tästä syystä myös suunnittelusääntöjen ohjelmallinen tarkistus on erittäin suositeltavaa, jos käytetty työkalu suinkin sitä tukee. Kokonaisen mikropiirin simuloiminen yhtenä kokonaisuutena on kuitenkin raskasta puuhaa, joka vaatii raskaat ohjelmistot. Jos rohkeus riittää ja jos piiri on mitoitettu konservatiivisesti, simuloinnin voi tietenkin kuvitella toteuttavansa myös pienempinä lohkoina kevyemmillä simulointityökaluilla.
Digitaalipiirien tapauksessa piiriä ei useinkaan rakenneta suoraan standardisoluista, vaan piirin haluttu looginen toiminta kuvataan esimerkiksi VHDL-kielellä, josta synteesityökaluilla generoidaan enemmän tai vähemmän automaattisesti layout. Tällainenkin ohjelmisto löytyy ilmaisversiona Linux-ympäristöön: ranskalainen Alliance. Analogiapuolella piirien rakentaminen toiminnallisesta kuvauksesta ei ole yhtä yleistä, mutta kokeellisia ohjelmistoja siihenkin tarkoitukseen on olemassa. Esimerkkinä kanadalainen Ballistic, joka on tarkoitettu toimimaan Mentorin suunnitteluohjelmiston yhteydessä.
Mitä sitten halpatyökaluilla voi kuvitella tekevänsä? Monimutkaiset digitaaliset ja sekasignaalipiirit on syytä jättää ammattilaisille, joilla on kunnolliset suunnittelu- ja simulointiohjelmistot. Puhtaiden digitaalipiirien tapauksessa kytkennän voi myös usein toteuttaa helpommin ohjelmoitavilla porttimatriiseilla. Mutta esimerkiksi erilaisten antureiden lukuelektroniikka, joihin saattaa kuulua muutama operaatiovahvistin ja vähän hajalogiikkaa voi hyvinkin olla toteutettavissa piille tavallisilla elektroniikka- ja piirilevysuunnittelijan taidoilla.
Erityisen kätevää voisi olla anturien ja niiden lukuelektroniikan toteuttaminen samalle sirulle, jolloin vältetään kotelointiin ja johdotukseen liittyviä parasiittisia elementtejä. Prosessinvälittäjien kautta pääsee nimittäin myös käsiksi muun muassa mikromekaniikan ja CMOSin yhdistäviin prosesseihin sekä nopeisiin GaAs/HEMT -prosesseihin, joilla voi tehdä vaikkapa mikroaaltovahvistimia. Ja mikäpä estää integroimasta mikroaaltoantennia tai pienempitaajuista sähkömagneettista signaalia poimivaa kelaa suoraan (riittävän suurikokoiselle) piisirulle. Samoin FLASH-muistisoluja sisältäviä piirejä valmistetaan MPW-pohjalta. Eksoottisempia prosesseja harkittaessa on toki tarkistettava löytyykö tuki käytettäville työkaluille.
Jos puheet ASIC-suunnittelutyön kalleudesta hirvittävät, kannattaa muistaa, että laitteen elektroninen- ja piirilevysuunnittelu sekä mahdollinen simulointi maksavat siinäkin tapauksessa, että laite tehdään perinteiseen tapaan piirilevylle. Joka tapauksessa halpatyökalut ja moniprojektiajot alentavat piille suunnittelun aloituskynnystä.
Piirien valmistus
Europractice www.imec.be/europractice/europractice.html
CMP http://tima-cmp.imag.fr/CMP/CMP.html
MOSIS www.mosis.org
VTT Elektroniikka
www.ele.vtt.fi/docs/emk/emksilicon.html
Suunnittelutyökaluja
Alliance http://cao-vlsi.ibp.fr/index.gb.html
Magic www.research.digital.com/wrl/projects/magic/magic.html
LASI ftp://ftp.funet.fi/pub/msdos/Simtel/cad/lasi515a.zip
ja ftp://ftp.funet.fi/pub/msdos/Simtel/cad/lasi515b.zip
Tanner Research www.tanner.com
Ballistic www.eecg.toronto.edu/~gdt/
Kotelointi ja bondaus
Detection Technology www.deetee.com
Selmic OY www.kemi.fi/~selmic/index.html
Ammattimaisia ASIC-suunnittelutaloja
Smartech www.smartech.fi
VLSI Solutions www.vlsi.fi
Fincitec www.kemi.fi/~studio/fincitec.html
Hantro Products www.hantro.com
ASIC-perustietoja
ASIC-kirja http://spectra.eng.hawaii.edu/~msmith/ASICs/HTML/ASICs.htm
Tietoa halpatyökaluista www.ece.ucdavis.edu/sscrl/clcfaq/faq/faq-toc.html