Универсализация микросхем логики через повышение степени интеграции

Стоимость и качество современной микроэлектроники линейно зависит от масштаба ее производства: чем выше серийность у микросхемы, тем ниже её стоимость, выше процент выхода годных изделий, выше надёжность. 

Крупнейший российский производитель микроэлектроники АО «Микрон» и ведущая научно-образовательная организация НПК «Технологический центр» при поддержке Минобрнауки в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218 реализуют проект, нацеленный на увеличение серийности микросхем через универсализацию сотен типов низкой интеграции в один – матричный кристалл с высокой степенью интеграции.

Введение

Приоритетной задачей отечественной микроэлектронной промышленности является унификация и импортозамещение производства электронной компонентной базы (ЭКБ) в России [1]. Это вызвано следующими факторами:

• геополитическая напряжённость;
• нестабильность цепочек поставки компонентов и сырья для производства электроники;
• дефицит на мировом рынке микроэлектроники.

Данная задача решается отечественными предприятиями радиоэлектронной промышленности при поддержке Правительства Российской Федерации с 2014 года, однако, судя по аналитическим данным [2], доля отечественной ЭКБ на российском рынке занимает всё ещё менее 30%. На рис. 1 и 2 представлены объёмы продаж и доли отечественной и импортной ЭКБ на Российском рынке соответственно. 


Из приведённых данных следует, что проблема импортозамещения ещё не решена, и предстоит много работы. Причины этого следующие:

• очень большая номенклатура ЭКБ, которая требует замещения;
• нехватка ресурсов предприятий – разработчиков и производителей ЭКБ; 
• наиболее передовые технологии, освоенные в России, – 90 нм;
• перестройка мировых цепочек поставок ЭКБ, материалов, технологического оборудования.

Часто задача импортозамещения и унификации решается стандартным путем копирования иностранных образцов ЭКБ, проведения НИОКР и организации производства иностранных аналогов – это требует больших затрат ресурсов

• отечественной промышленности. Такой подход имеет следующие недостатки:
• себестоимость иностранной ЭКБ намного ниже российских аналогов за счёт массового производства для мирового рынка;
• отечественные аналоги имеют те же технические недостатки, что и у иностранной ЭКБ;
• не развиваются собственные оригинальные разработки ЭКБ. 

Таким образом, импортозамещение и унификация ЭКБ требуют выработки и реализации нестандартных подходов с ориентацией на новые технологии. 

Рынок микросхем стандартной логики

Микросхемы логики представляют собой полупроводниковые устройства, содержащие счётное число транзисторов для выполнения логических/булевых функций (И, ИЛИ, НЕ в любых комбинациях, битовые сдвиги, триггеры, регистры, сумматоры, компараторы и т.д.), обычно производятся на пластинах 100 мм с проектными нормами ~1 мкм. 

Микросхемы стандартной логики широко применяются в составе радио­электронного оборудования и систем управления. Системы реального времени, промышленные логические контроллеры, коммуникаторы, сигнальные системы используют логику низкой и средней интеграции благодаря её надёжности, быстродействию и гибкости конфигураций. 

Микросхемы логики применяются в радиоэлектронной промышленности для выполнения вспомогательных функций и в качестве согласовывающей логики в компьютерах и промышленной электронике. 

Развитие технологий процессоров и контроллеров приводит к вытеснению микросхем логики программируемыми решениями, но нишей логики остаются применения, где важны надёжность и время задержки, а также многочисленные функции, не требующие сложной обработки сигнала и вычислений. На сегодня ниша имеет стабильные размеры, и рынки между логикой и микрокомпонентами стабильно разделены. На рис. 3 представлена динамика мирового рынка микросхем стандартной логики. 

Совокупный среднегодовой темп роста мирового рынка микросхем логики за период 2016–2021 гг. составляет 6,4%. При этом, по данным IC Insights, для всего мирового рынка микросхем тот же показатель почти вдвое выше – 11,0% за 2016–2021 гг. [4].

Таким образом, спрос на микросхемы логики устойчив, но исторически сложившееся значительное разнообразие типономиналов ставит под вопрос экономическую эффективность развития такого направления в силу малой серийности. 
Развитие продукции микроэлектроники осуществляется двумя способами:

• снижение проектных норм – уменьшает площадь кристалла микросхемы при одновременном повышении энергоэффективности;
• переход на пластины большего диаметра – позволяет одновременно обрабатывать большее число кристаллов микросхем.

Эти способы влекут за собой следующее:

• повышение стоимости пластины с кристаллами ввиду удорожания технологических процессов;
• с увеличением числа кристаллов на пластине – снижение цены отдельного кристалла;
• увеличение числа кристаллов на пластине означает уменьшение выпуска пластин при сохранении спроса на одном и том же уровне.

В табл. 1 продемонстрировано, как переход на новые технологии влияет на выпуск пластин.

Таким образом, переход на новые технологии при сохранении спроса приводит к следующим последствиям:

• при переходе на новые технологии цена кристалла существенно снижается;
• но при сохранении объёмов потребления чипов на уровне 1 млн шт. объём выпуска пластин также существенно снижается – с серийного производства на единичный выпуск пластин.

Единичный выпуск пластин является существенным ограничением для запуска производства, так как в этом случае возникают дополнительные скрытые затраты, которые трудно идентифицировать:

• корректировка технологического процесса под выпуск единичной партии;
• замена оснастки (мишеней, фотошаблонов);
• корректировка программ и методик испытаний;
• затраты, связанные с временем простоя оборудования.

В связи с этим становится невыгодно выпускать единичные партии пластин – многие фабрики откладывают производство малых партий на неопределённый срок или отказывают в размещении подобных заказов.

Таким образом, переход на новые технологии производства интегральных схем не является оптимальным решением для развития продуктовых групп в случае микросхем стандартной логики.

Универсализация микросхем стандартной логики 

Для универсализации микросхем логики и их импортозамещения предлагается разработать многофункциональные базовые кристаллы (далее – МБК). Проверка концепции МБК реализуется на микросхемах логики двух типов: с 14 и 16 выводами. Доказательство концепции на практике позволит использовать метод МБК на широком ассортименте микросхем логики и аналоговых микросхемах низкой интеграции типа операционных усилителей и массивах транзисторов.

Разработка МБК выполняется в рамках комплексного проекта «Создание высокотехнологичного производства функционально конструктивных аналогов микросхем малой и средней степени интеграции», который поддержан Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках постановления Правительства Российской Федерации от 09.04.2010 № 218 «Об утверждении Правил предоставления субсидий на развитие кооперации российских образовательных организаций высшего образования, государственных научных учреждений и организаций реального сектора экономики в целях реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичных производств».

Разрабатываемые МБК представляют собой кристаллы в формате «море вентилей», логические функции которых формируются через матрицу логических элементов, а аналоговые характеристики, обеспечивающие полное электрофизическое совпадение параметров, – через массивы RCL-элементов и полное совпадение выводов – через верхние слои металлизации. В табл. 2 приведены основные технические характеристики МБК. 

МБК Типа 1 реализует 101 типономинал логики, имеет 14 внешних выходов, МБК Типа 2 – 54 типономинала, имеет 16 внешних выходов. Разрабатываемые МБК будут реализовывать следующий функционал:

• мультиплексоры/демультиплексоры;
• логические элементы; 
• коммутаторы;
• триггеры;
• регистры;
• счётчики;
• сумматоры;
• шифраторы/дешифраторы;
• арифметико-логические устройства.

При проведении оценки и первичного проектирования было установлено, что микросхемы стандартной логики, серийно производимые АО «Микрон», имеющие 14 выводов, можно заместить одним типом МБК с количеством вентилей 3000 шт. Кристалл МБК первого типа будет иметь площадь 1,5×1,65 мм².

МБК второго типа с количеством вентилей 5000 шт. предназначены для замещения микросхем стандартной логики с 16 выводами. Такие МБК 2-го типа будут иметь площадь не более 1,65×1,65 мм².

Указанная площадь кристаллов МБК 1-го и 2-го типов обеспечивает экономическую целесообразность универсализации, а число типономиналов позволяет достичь объёмов серийного производства и амортизировать стоимость фотошаблонов. При этом будут полностью воспроизведены технические характеристики и назначение микросхем и осуществлено полнофункциональное замещение устаревших компонентов.

При проектировании конкретных типов микросхем необходимо достичь компромисса между функциональной гибкостью и простотой реализации. В микросхемах МБК применён способ выбора функции с помощью коммутаторов, которыми являются наборы проводников в верхнем слое металлизации. Коммутаторы обеспечивают электрическую связь внешних выводов с функцией и с линиями задержки. В состав коммутаторов также входят проводники, обеспечивающие блокировку всех оставшихся функций. Структурная схема МБК представлена на рис. 4.

Базовая ячейка поля МБК реализована в виде 4-транзисторной ячейки с объединёнными затворами в комплементарных парах транзисторов и имеет следующие особенности:

• ячейка симметрична относительно пар комплементарных транзисторов;
• размеры транзисторов минимизированы с учётом выполнения правил проектирования;
• конструкция ячейки разработана с учётом разводимости ячеек;
• шины подключения ячейки к источникам питания («Земля» и «Питание») удовлетворяют требованиям ОСТ В 11 0998.

Конструкция ячейки разработана с учётом правил проектирования завода-изготовителя АО «Микрон».

Конструкция базовой ячейки поля МБК позволяет реализовать в поле архитектуру «море вентилей», удовлетворяющую критерию максимальной разводимости, как на уровне библиотечных элементов, так и с точки зрения трассировки.

Унифицированная периферийная ячейка «входа/выхода» МБК включает в себя контактную площадку размером 100×100 мкм, элементы системы защиты от электростатического напряжения, входные каскады, включая триггер Шмитта с управляемым гистерезисом, выходные транзисторы с управляемыми значениями тока нагрузки от 2 до 20 мА и длительности фронта от 0,5 до 1,5 нс.

Для каждого типа микросхемы формируется уникальный шаблон металлизации, с помощью которого выполняется изготовление данной микросхемы с использованием пластин МБК 1-го или 2-го типа. Такой способ является достаточно простым и наиболее надёжным.

Оценка экономической эффективности универсализации микросхем логики

Переход с проектных норм от > 1000 нм на 180 нм позволит в разы увеличить число кристаллов на пластине. Повышение серийности приведёт к росту коэффициента выхода годных и универсализации процессов функционального контроля и сборки микросхем. Объём складских запасов продукции, который, как правило, поддерживается для малосерийных микросхем, может быть уменьшен на порядки.

Выводы

• Дано краткое описание рынка микросхем стандартной логики.
• Проведена оценка развития микросхем стандартной логики.
• Представлен метод универсализации производства микросхем логики с помощью МБК.
• Представлены два типа МБК в формате «море вентилей» – для замены микросхем на 14 выводов (тип 1) и 16 выводов (тип 2).
• Показана экономическая эффективность универсализации микросхем.

Литература

1. Боков С.И., Подольский А.Г. Структура экономической модели выполнения опытно-конструкторской работы по созданию радиоэлектронной аппаратуры в условиях реализации задач унификации и импортозамещения электронной компонентной базы // Вооружение и экономика. 2019. № 1 (47).
2. Отчёт исследования российского рынка электронных компонентов 2016–2022 // ООО «СовЭл».
3. Статистика IC Insights.
4. URL: https://www.icinsights.com/news/bulletins/Semiconductor-Sales-To-Rise-At-71-CAGR-Through-2026/.
5. Отчёт IC Knowledge: IC Cost and Price Model.
6. URL: http://www.silicon-edge.co.uk/j/index.php/resources/die-per-wafer.