Интегральная схема

интегральная схема

 

Монолитная интегральная схема, это микросхема, в которой схемные элементы: диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы и соединения, образованы в массе на поверхности полупроводникового материала, легированного кремния, и поэтому неразъемно связаны. Монолитная интегральная схема может быть цифровой, линейной (аналоговой) либо цифро–аналоговой. Вот о том, кокой бывает монолитная интегральна схема, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Монолитная интеграция

 

Планарная технология основана на окислении кремниевых подложек, которое представ­ляет собой относительно простой процесс. Скорость, с которой легирующие присадки проникают в кремний, значительно выше скорости их проникновения в оксид. Поэтому легирование имеет место только в тех местах, где в слое оксида имеются соответствующие окна. Точная геометрическая конфигурация, наносимого на подложку слоя оксида опреде­ляется конкретными конструктивными требо­ваниями к той или иной интегральной схеме. Все технологические процессы (окисление, травление, легирование и осаждение) выпол­няются последовательно в приповерхност­ном слое подложки (планарная технология).

Планарная технология позволяет произво­дить все компоненты схемы (резисторы, кон­денсаторы, диоды, транзисторы, тиристоры) и соединительные проводники, получать отдельные кремниевые кристаллы в едином производственном процессе. Новые полупро­водниковые устройства были объединены для производства монолитных интегральных схем (1C: интегральная схема).

Эта интеграция обычно охватывает ту или иную подсистему электронной схемы и во все большей степени включает всю систему: «си­стема на чипе».

В связи с постоянно возрастающей плотно­стью компонентов (плотностью интеграции), в конструкции все в большей степени исполь­зуется третье измерение, т.е. вертикальная плоскость. Это позволяет (особенно в обла­сти силовых электронных устройств) снизить сопротивление, уменьшить потери и достичь более высоких плотностей тока.

 

 

Уровни интеграции

 

Уровень интеграции представляет собой меру количества функциональных элементов в одном чипе. Имеет место следующая клас­сификация интегральных схем по степени интеграции (и площади поверхности чипа):

  • SSI (низкая степень интеграции) — до не­скольких сотен функциональных элемен­тов в чипе при средней площади поверх­ности чипа 1 мм2. Однако в интегральных схемах, включающих силовые элементы (например, силовые транзисторы) пло­щадь поверхности чипа может быть зна­чительно больше.
  • MSI (средняя степень интеграции) — от не­скольких сотен до 10 000 функциональных элементов в чипе при средней площади по­верхности 8 мм2.
  • LSI (высокая степень интеграции) — до 100 000 функциональных элементов в чипе при средней площади поверхности 20 мм2.
  • VLSI (сверхвысокая степень интеграции) — до 1 миллиона функциональных элемен­тов в чипе при средней площади поверх­ности 30 мм2.
  • ULSI (ультравысокая степень интег­рации) — свыше 1 миллиона функцио­нальных элементов в чипе (современные запоминающие устройства (флэш-память) содержат до 20 миллиардов транзисторов) при средней площади поверхности чипа 300 мм2 и размерах отдельных структур­ных элементов <; 30 нм.

 

Методы автоматизированного моделирова­ния и проектирования (CAE/CAD) являются существенными элементами производства интегральных схем. При сверхвысокой (VLSI) и ультравысокой (ULSI) степенях интеграции применяются полнофункциональные блоки, что позволяет снизить затраты времени и риск повреждения интегральных схем. Для обнаружения дефектов используются моде­лирующие программы.

 

 

Микропроцессоры в блоке управления автомобиля

 

Микропроцессор

 

Микропроцессор — интегрированный в моно­кристалле центральный процессор. Его кон­струкция такова, что микропроцессор может быть запрограммирован под различные тре­бования в зависимости от специфических рабочих условий. Имеются две основных группы микропроцессоров. Предыдущие поколения персональных компьютеров ис­пользовали процессоры CISC (компьютер с комплексным набором команд). В таких про­цессорах реализуется очень большое коли­чество специальных команд, выполняемых в виде определенного количества тактовых импульсов. Процессоры RISC (RISC: компью­тер с упрощенным набором команд) обычно используются во «вложенном поле», куда включаются также и «автомобильные» при­ложения. Преимуществом процессоров RISC является тот факт, что для их команд обычно требуется только один тактовый импульс и для обеспечения высокой производительности не­обходимы более простые и быстрые команды.

Современные процессоры RISC оперируют более чем 300 командами, больше чем старые процессоры CISC, таким образом, для их срав­нения более правильным будет сравнивать среднее количество тактовых импульсов на команду, а не количество команд.

Микропроцессор не может функциониро­вать самостоятельно. Он действует как часть микрокомпьютера.

Микрокомпьютеры

 

Микрокомпьютер представляет собой микро­процессор, выполняющий роль центрального процессора (CPU). Микропроцессор состоит из контроллера и арифметико-логического устройства (рис. «Конструкция микрокомпьютера» ). Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции, а также операции по обработке цифровых сигналов, в то время как контроллер обрабатывает команды и данные из памяти. Для обеспечения более высоких тактовых частот используются ин­формационные каналы, которые предвари­тельно обрабатывают команды (например, прием инструкций и данных, запись данных). Арифметико-логическое устройство встраи­вается в информационный канал.

 

Конструкция микрокомпьютера

 

Рабочая программа (пользовательская программа) хранится постоянно (энергоне­зависимо) в памяти программы (ROM, PROM, EEPROM или флеш-памяти). После деакти­вации данные продолжают быть доступными даже при отключении напряжения питания. В современных приложениях программная па­мять обычно выполнена в виде флеш-памяти.

Данные, используемые в любое заданное время, хранятся в запоминающем устройстве данных. Эти данные меняются и сохраняются в RAM (оперативное запоминающее устройство).

В микрокомпьютер может быть встроена кэш-память для программной памяти и памяти дан­ных. Если бы требуемые команды и данные всегда отправлялись по шинам при отсутствии кэш-памяти в системе, высокие скорости пере­дачи данных (которые необходимы процессору для работы) и относительно медленный до­ступ к памяти снизили бы скорость работы центрального процессора катастрофическим образом, и высокоскоростной процессор ока­зался бы бесполезным.

Отдельные элементы в компьютере связы­вает система шин. Тактовый генератор задает интервал времени или ритм для всех опера­ций, выполняемых компьютером. Логические схемы — это микрочипы, которые выполняют специальные задачи, например, необходимые для прерывания и перезагрузки логики (для перезагрузки микропроцессора). Входные/ выходные схемы служат для контроля дан­ных связи с периферийными устройствами. Периферийные устройства включают, напри­мер, входные схемы для сигналов коленчатого и распределительного валов, переключатели, аналоговые входные контуры и усилители мощности, такие как Н-мосты или переклю­чатели.

 

 

Микроконтроллер

 

Бортовые автомобильные приложения должны работать так, чтобы последовательность про­грамм ЭБУ соответствовала физическим по­следовательностям. Таким образом, система должна в минимально короткий промежуток времени реагировать, например, на изменения входных сигналов. Соответственно, системы должны обладать «производительностью в реальном времени». ЭБУ для данных прило­жений имеет расширение в микрокомпьютер для этих целей. Формирование пакета дан­ных в реальном времени осуществляется с помощью блока синхронизации. Основными принципами работы здесь являются захват и сравнение. Функция захвата входных сигналов присваивает время или метку угла поворота, (например, коленчатого вала) событиям во входной цепи. Процессор, таким образом, не должен продолжать обработку сигнала прямо сейчас. Например, если сигнал коленчатого вала меняется от «высокий» на «низкий», что означает изменения на боковой поверхности зуба, нет необходимости немедленно преры­вать процесс, чтобы запустить программное обеспечение, определяющее текущий угол с целью определения скорости вращения на более поздней стадии. Это осуществляется синхронизирующим оборудованием. При из­менении боковой поверхности состояние тай­мера угла сохраняется в реестре — после чего программное обеспечение имеет время вы­полнить свою работу и затем получить данные угла из реестра для дальнейшей обработки.

Функция сравнения выходных сигналов генерирует событие (например, коммутацию катушки зажигания в момент зажигания) на выходном контакте в определенное время или при определенном угле.

Микрокомпьютеры, имеющие производи­тельность в реальном времени, называются микроконтроллерами. В настоящее время они обычно интегрированы в микрочипы и не вы­полняются, как раньше, в виде дискретных компонентов на печатных платах. Это стало возможным благодаря современным техно­логиям, при которых в микрочип можно инте­грировать очень сложные системы. Например, микроконтроллер системы управления дви­гателем, выпускаемый серийно с 2006 года, содержит 40 миллионов транзисторов, тогда как Pentium II имел приблизительно 6,7 миллионов транзисторов.

Для будущих приложений будет уже не достаточно иметь только один центральный процессор, поскольку тактовую частоту нельзя увеличить, как угодно пользователю, и это так же приводит к увеличению тока во входных схемах. По этой причине, микроконтроллеры появятся в версиях более чем с одним цен­тральным процессором (более чем пять цен­тральных процессоров на одном чипе будут серийно производиться для систем управления двигателем с 2015 года) — та же тенден­ция, что и у систем персонального компьютера.

Микроконтроллеры, используемые в авто­мобильной промышленности, отличаются от стандартных по многим параметрам.

  • Диапазон температуры: -40…150°С.
  • Интенсивность отказов: менее чем один отказ на один миллион компонентов — сравните с 100…200 отказали на миллион компонентов у персонального компьютера.
  • Срок службы: в настоящее время опреде­ляется как 20 000 часов активной эксплуа­тации.

 

Существенно более длительная эксплуата­ционная готовность: поскольку по оконча­нии производственного цикла в 1…3 года не ожидается поставка новых микрокон­троллеров для мобильных телефонов и персональных компьютеров, в сложных проекта автомобильной промышленности серийное производство запускается только через 3…5 лет разработок, после чего оно продолжается еще в течение 15 лет и за­тем поставки производятся еще следующие 15 лет.

 

 

Полупроводниковые запоминающие устройства

 

Принципы организации памяти

 

Накопление данных включает: регистрацию (запись), постоянное запоминание (хранение данных в узком смысле), извлечение и вывод (чтение). В полупроводниковых запоминаю­щих устройствах используются физические процессы, «проводящий/непроводящий» или «заряженный/разряженный», позволяющие однозначно распознать одно из двух противо­положных состояний (информация в двоичном коде). В полупроводниковых устройствах па­мяти воспроизводятся состояния «проводя­щий» и «непроводящий» или «заряженный» и «разряженный»; последнее состояние осно­вывается на специальных свойствах перехода между кремнием и оксидом кремния или между нитридом кремния и металлом. Тех­нологией, активно использующейся сейчас, является флеш-память. Устройства памяти, работающие по данному принципу, электри­чески программируемые и стираемые.

В будущем также будут использоваться новые виды памяти: FRAM использует прин­цип магнитоэлектрического запоминающего устройства, MRAM использует магнитный эффект в качестве принципа запоминания, и РСМ (память на основе фазового перехода) для эффекта запоминания использует измене­ние состояния материала от кристаллического до аморфного и соответствующее изменение сопротивления.

Классификация

 

Полупроводниковые запоминающие устрой­ства подразделяются на две основных кате­гории: энергозависимые и энергонезависи­мые — практически все они производятся по технологии CMOS.

Энергозависимые запоминающие устрой­ства могут считываться и перезаписываться любое количество раз и поэтому называются оперативным запоминающим устройством (RAM); объем информации стирается при от­ключении питания.

Энергонезависимые запоминающие устрой­ства сохраняют данные при отключении ис­точника питания; они также известны как постоянное запоминающее устройство (ROM).

В будущем MRAM и РСМ (не появятся в управлении двигателем раньше 2018 года), возможно, вытеснят флеш-память (энергоне­зависимую, но медленную) и RAM (быструю, но энергозависимую), используемые сегодня, поскольку они сохраняют данные после от­ключения питания и имеют очень короткое время доступа.

В следующей статье я расскажу об электрохимии в автомобилестроении.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *