Podręcznik

Bez względu na to, w jaki sposób i jakimi narzędziami będziemy projektować układ, po określeniu jego funkcji i wymaganych parametrów musimy zdecydować, jaka będzie jego technologia produkcji. Wybór ma istotny wpływ nie tylko na to, jak układ będzie działał, ale i na koszt układu. 

A więc mamy do zaprojektowania i wykonania układ specjalizowany określonego rodzaju. Do dyspozycji mamy kilka różnych technologii wytwarzania układów jednego lub różnych producentów. Którą z tych technologii wybrać? Zakładamy przy tym, że wszystkie rozważane technologie zapewniają spełnienie wymagań technicznych dla naszego układu. Wyboru należy dokonać na podstawie analizy ekonomicznej - która z dostępnych technologii zapewni nam najniższy koszt układu? Jak już wiemy, na koszt jednego egzemplarza układu składa się koszt wytworzenia struktur oraz koszt montażu. Gdy zamawiamy układy specjalizowane, oba składniki liczone są odrębnie. Cena za wyprodukowanie struktur obliczana jest proporcjonalnie do powierzchni układu. Dla przykładu, jeden z europejskich producentów przy zamawianiu prototypów układów CMOS stosuje następujące ceny (podane są ceny dla trzech generacji technologii, z malejącą minimalną długością kanałów tranzystorów, od 0,7 mikrometra do 0,35 mikrometra):

Tabela 1. Przykładowe ceny za 1 mm2 układu CMOS w EURO

Technologia	Cena za 1 mm2 układu w EURO
CMOS 0.7	280
CMOS 0.5	390
CMOS 0.35	590

Za tę cenę otrzymuje się 20 struktur nieobudowanych i nie testowanych. 

Jeżeli każda z tych trzech technologii zapewnia wymagane parametry potrzebnego nam układu, to na pierwszy rzut oka wydawałoby się, że należy wybrać technologię najtańszą (CMOS 0.7). Może się jednak okazać, że w rzeczywistości układ wykonany w tej technologii będzie najdroższy. Rzecz w tym, że liczba elementów, jakie można zmieścić na 1 mm2 układu, ze zmniejszaniem się minimalnego wymiaru rośnie szybciej, niż cena 1 mm2 (była o tym mowa w pierwszej części). Innymi słowy, cena jednego milimetra kwadratowego jest najniższa dla technologii CMOS 0.7, ale cena za jeden tranzystor w układzie może być najniższa dla technologii CMOS 0.35. Ilustruje to przykład dla czterech generacji technologii innego producenta:
 

             

Rysunek 4 1. Cena jednego mm2 układu scalonego i średnia liczba tranzystorów na 1 mm2 dla czterech generacji technologii CMOS oraz wynikający z tego koszt jednego tranzystora

Należy więc ustalić, jaką powierzchnię zajmie układ zaprojektowany w każdej z dostępnych technologii i dopiero wtedy można zdecydować, która technologia da nam układ najtańszy. Trzeba rozważać układ kompletny, tj. wnętrze wraz z pierścieniem pól montażowych, do których dołączane są zewnętrzne wyprowadzenia (obejrzyj układ zmontowany w obudowie – rysunek 4-19 w części I).

Pola montażowe muszą mieć określone wymiary (zwykle 100 x 100 mikrometrów, w nowszych technologiach trochę mniej) niezależnie od technologii i muszą znajdować się w określonych odstępach, aby dołączenie wyprowadzeń było możliwe. Z polem montażowym zawsze związane jest kilka elementów zabezpieczających wnętrze układu przed nadmiernym napięciem z zewnątrz, które mogłoby uszkodzić układ. Pole montażowe jest więc częścią komórki, którą dostarcza producent układów. Rysunek 4-2 pokazuje topografię takiej komórki.
 

Rysunek 4 2. Topografia pola montażowego z elementami zabezpieczającymi przed przepięciami 

 

Jeśli więc układ jest prosty i ma niewiele elementów, a równocześnie ma dużą liczbę zewnętrznych wyprowadzeń, to całkowita powierzchnia może być określona przez pierścień pól montażowych, a wewnątrz tego pierścienia pozostaje wolna, nie wykorzystana powierzchnia. Taką sytuację ilustruje rysunek 4-3a. Układ o dużej liczbie elementów i małej liczbie wyprowadzeń jest pokazany na rys. 4-3b. W tym przypadku wnętrze pierścienia pól montażowych jest całkowicie wypełnione. O całkowitej powierzchni decyduje powierzchnia zajęta przez układ.

 

                   

Rysunek 4 3. Mały układ z dużą liczbą wyprowadzeń (a) i duży układ z małą liczbą wyprowadzeń (b)

Oto wnioski:

• Im bardziej zaawansowana technologia, tym więcej kosztuje jednostka powierzchni układu.
• Im bardziej zaawansowana technologia, tym mniej kosztuje jeden element układu.
• Układy duże i złożone z reguły opłaca się wytwarzać w najbardziej zaawansowanych technologiach.
• Układy proste i małe mogą być tańsze, gdy są wytwarzane w mniej zaawansowanych technologiach (czy tak jest, zależy od liczby wyprowadzeń).

Szacowanie kosztu układu wymaga umiejętności przewidywania, jaką zajmie on powierzchnię, zanim jeszcze został zaprojektowany. Można takie oszacowanie zrobić jedynie w grubym przybliżeniu. Mogą się tu przydać dane statystyczne o przeciętnej powierzchni potrzebnej na jeden tranzystor w danej technologii. Powierzchnia ta zależy jednak silnie od rodzaju projektowanego układu (np. w układach analogowych tranzystory są znacznie większe, niż w cyfrowych) oraz od sposobu (stylu) projektowania. Toteż danych takich nie podają producenci układów. Średnią powierzchnię przypadającą na jeden tranzystor można oszacować samemu po próbnym zaprojektowaniu kilku małych fragmentów układu.