Una matriz de puertas es un enfoque para el diseño y fabricación de circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC) utilizando un chip prefabricado con componentes que luego se interconectan en dispositivos lógicos (por ejemplo, puertas NAND , flip-flops , etc.) según un pedido personalizado por agregando capas de interconexión metálica en la fábrica. Fue popular durante la agitación en la industria de los semiconductores en la década de 1980, y su uso disminuyó a finales de la década de 1990.
También se han empleado tecnologías similares para diseñar y fabricar matrices analógicas, analógico-digitales y estructuradas, pero, en general, no se denominan matrices de puertas.
Las matrices de puertas también se conocen como matrices lógicas no comprometidas ( ULA ), que también ofrecían funciones de circuito lineal, [1] y chips semipersonalizados . [ cita necesaria ]
Los conjuntos de puertas tenían varias rutas de desarrollo simultáneas. Ferranti en el Reino Unido fue pionero en la comercialización de tecnología ULA bipolar , [2] ofreciendo circuitos de "100 a 10.000 puertas y más" en 1983. [3] [4] El liderazgo inicial de la empresa en chips semipersonalizados, con la aplicación inicial de un ULA circuito integrado que involucra una cámara de Rollei en 1972, expandiéndose a "prácticamente todos los fabricantes de cámaras europeos" como usuarios de la tecnología, condujo al dominio de la empresa en este mercado particular durante la década de 1970. Sin embargo, en 1982, hasta 30 empresas habían empezado a competir con Ferranti, reduciendo la cuota de mercado de la empresa a alrededor del 30 por ciento. Los "principales competidores" de Ferranti eran otras empresas británicas como Marconi y Plessey, las cuales tenían licencia de tecnología de otra empresa británica, Micro Circuit Engineering. [5] Una iniciativa contemporánea, UK5000, también buscaba producir una matriz de puertas CMOS con "5.000 puertas utilizables", con la participación de British Telecom y varias otras importantes empresas de tecnología británicas. [6]
IBM desarrolló cortes maestros bipolares patentados que utilizó en la fabricación de mainframes a finales de los años 1970 y principios de los 1980, pero nunca los comercializó externamente. Fairchild Semiconductor también coqueteó brevemente a finales de la década de 1960 con matrices bipolares de lógica de diodo-transistor y lógica de transistor-transistor llamadas Micromosaic y Polycell. [7]
La tecnología CMOS ( semiconductor de óxido de metal complementario ) abrió la puerta a la amplia comercialización de conjuntos de puertas. Los primeros conjuntos de puertas CMOS fueron desarrollados por Robert Lipp [8] [9] en 1974 para International Microcircuits, Inc. [7] (IMI), una tienda de máscaras fotográficas de Sunnyvale fundada por Frank Deverse, Jim Tuttle y Charlie Allen, ex-IBM. empleados. Esta primera línea de productos empleaba tecnología CMOS metálica de un solo nivel de 7,5 micrones y tenía entre 50 y 400 puertas . La tecnología de diseño asistido por ordenador (CAD) de la época era muy rudimentaria debido a la baja potencia de procesamiento disponible, por lo que el diseño de estos primeros productos solo estaba parcialmente automatizado.
Este producto fue pionero en varias características que se convirtieron en estándar en diseños futuros. Los más importantes fueron: la estricta organización de los transistores de canal n y canal p en 2-3 pares de filas a lo largo del chip; y ejecutar todas las interconexiones en redes en lugar de un espacio personalizado mínimo, que había sido el estándar hasta entonces. Esta innovación posterior allanó el camino hacia la automatización total cuando se combinó con el desarrollo de matrices CMOS de 2 capas. Personalizar estas primeras partes fue algo tedioso y propenso a errores debido a la falta de buenas herramientas de software. [7] IMI aprovechó las técnicas de desarrollo de placas de PC para minimizar el esfuerzo de personalización manual. Los chips en ese momento se diseñaban a mano, dibujando todos los componentes e interconectándolos en láminas de Mylar cuadriculadas con precisión, usando lápices de colores para delinear cada capa de procesamiento. Luego se cortaron y pelaron láminas de Rubylith para crear una representación a escala (normalmente) de 200x a 400x de la capa de proceso. Luego se fotorredujo para hacer una máscara 1x. La digitalización en lugar del corte de rubilita recién se estaba convirtiendo en la última tecnología, pero inicialmente solo eliminó la etapa de rubilita; los dibujos todavía eran manuales y luego digitalizados "a mano". Mientras tanto, las placas de PC habían pasado del rubylith personalizado a la cinta de PC para las interconexiones. IMI creó ampliaciones fotográficas a escala de las capas base. Utilizando calcomanías de conexiones de puertas lógicas y cinta de PC para interconectar estas puertas, se podrían diseñar rápidamente a mano circuitos personalizados para estos circuitos relativamente pequeños y fotorreducirlos utilizando tecnologías existentes.
Después de una pelea con IMI, Robert Lipp fundó California Devices, Inc. (CDI) en 1978 con dos socios silenciosos, Bernie Aronson y Brian Tighe. CDI desarrolló rápidamente una línea de productos competitiva para IMI y, poco después, una línea de productos de una sola capa con puerta de silicio de 5 micrones con densidades de hasta 1200 puertas. Un par de años más tarde, CDI siguió con conjuntos de puertas "sin canales" que redujeron los bloqueos de filas causados por una capa subyacente de silicio más compleja que precableaba las conexiones de transistores individuales a las ubicaciones necesarias para funciones lógicas comunes, simplificando el primer nivel. interconexión metálica. Esto aumentó la densidad de los chips en un 40%, lo que redujo significativamente los costos de fabricación. [8]
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Los primeros conjuntos de puertas eran de bajo rendimiento y relativamente grandes y costosos en comparación con la tecnología n-MOS de última generación que se utilizaba entonces para chips personalizados. La tecnología CMOS estaba siendo impulsada por aplicaciones de muy bajo consumo de energía, como chips de relojes e instrumentación portátil que funciona con baterías, no por el rendimiento. También estaban muy por debajo del rendimiento de la tecnología lógica dominante existente, las familias lógicas transistor-transistor. Sin embargo, había muchas aplicaciones específicas en las que eran invaluables, particularmente en aplicaciones de baja potencia, reducción de tamaño, portátiles y aeroespaciales, así como en productos sensibles al tiempo de comercialización. Incluso estos pequeños arreglos podrían reemplazar una placa llena de puertas lógicas transistor-transistor si el rendimiento no fuera un problema. Una aplicación común era combinar varios circuitos más pequeños que soportaban un circuito LSI más grande en una placa, lo que se conocía cariñosamente como "recolección de basura". Y el bajo costo del desarrollo y las herramientas personalizadas hicieron que la tecnología estuviera disponible para los presupuestos más modestos. Los primeros conjuntos de puertas desempeñaron un papel importante en la moda de los CB en la década de 1970, así como un vehículo para la introducción de otros productos posteriores producidos en masa, como módems y teléfonos móviles.
A principios de la década de 1980, los conjuntos de puertas estaban empezando a pasar de sus aplicaciones específicas al mercado general. Varios factores en la tecnología y los mercados estaban convergiendo. El tamaño y el rendimiento estaban aumentando; la automatización estaba madurando; la tecnología se volvió "caliente" cuando en 1981 IBM presentó su nuevo mainframe insignia 3081 con CPU que comprende matrices de puertas; se utilizaron en un producto de consumo, el ZX81; y los nuevos participantes en el mercado aumentaron su visibilidad y credibilidad. [10]
En 1981, Wilfred Corrigan , Bill O'Meara, Rob Walker y Mitchell "Mick" Bohn fundaron LSI Logic . [11] Su intención inicial era comercializar conjuntos de puertas lógicas acopladas a emisores, pero descubrieron que el mercado se estaba moviendo rápidamente hacia CMOS. En cambio, obtuvieron la licencia de la línea CMOS de puerta de silicio de CDI como segunda fuente. Este producto los estableció en el mercado mientras desarrollaban su propia línea patentada de metal de 2 capas de 5 micrones. Esta última línea de productos fue el primer producto comercial de matriz de puertas susceptible de automatización total. LSI desarrolló un conjunto de herramientas de desarrollo patentadas que permitieron a los usuarios diseñar su propio chip desde sus propias instalaciones mediante inicio de sesión remoto en el sistema de LSI Logic.
Sinclair Research transfirió un diseño mejorado del ZX80 a un chip ULA para el ZX81 y luego utilizó un ULA en el ZX Spectrum . Se fabricó un chip compatible en Rusia como T34VG1. [12] Acorn Computers utilizó varios chips ULA en BBC Micro , y más tarde un único ULA para Acorn Electron . Muchos otros fabricantes de la época del auge de las computadoras domésticas utilizaron ULA en sus máquinas. La PC de IBM se apoderó de gran parte del mercado de computadoras personales y los volúmenes de ventas hicieron que los chips totalmente personalizados fueran más económicos. La serie Amiga de Commodore utilizó matrices de puertas para los chips personalizados de Gary y Gayle, como pueden sugerir sus nombres en clave.
En un intento por reducir los costos y aumentar la accesibilidad del diseño y la producción de matrices de puertas, Ferranti introdujo en 1982 una herramienta de diseño asistido por computadora para su producto de matrices lógicas no comprometidas (ULA) llamada ULA Designer. Aunque su adquisición costó £46.500, esta herramienta prometía ofrecer costos reducidos de alrededor de £5.000 por diseño más costos de fabricación de £1-2 por chip en grandes volúmenes, en contraste con los costos de diseño de £15.000 incurridos al contratar los servicios de Ferranti para el diseño. proceso. [13] Basada en una minicomputadora PDP-11/23 que ejecuta RSX/11M, junto con una pantalla gráfica, un teclado, una "placa de digitalización", una mesa de control y un trazador opcional, la solución tenía como objetivo satisfacer las necesidades de diseño de conjuntos de puertas de 100 a 10.000. puertas, y el diseño lo realiza en su totalidad la organización que adquiere la solución, comenzando con un "plan lógico", pasando por el diseño de la lógica en el propio conjunto de puertas y concluyendo con la definición de una especificación de prueba para la verificación de la lógica. y para establecer un régimen de pruebas automatizadas. La verificación de los diseños completos fue realizada por "especialistas externos" después de la transferencia del diseño a un "centro CAD" en Manchester, Inglaterra o Sunnyvale, California, potencialmente a través de la red telefónica. Se estima que la creación de prototipos de diseños completos llevó entre 3 y 4 semanas. La propia minicomputadora también se podía adaptar para funcionar como sistema de laboratorio o de oficina, cuando fuera necesario. [14]
Ferranti siguió el ULA Designer con el producto Silicon Design System basado en el VAX-11/730 con 1 MB de RAM, disco Winchester de 120 MB y que utiliza una pantalla de alta resolución impulsada por una unidad gráfica con 500 KB propios. memoria para "capacidades de edición, pintura y ventanas de alta velocidad". El software en sí estaba disponible por separado para las organizaciones que probablemente ya usarían sistemas VAX-11/780 para proporcionar un entorno multiusuario, pero el paquete de hardware y software del "sistema independiente" estaba destinado a proporcionar una solución más asequible con un "más rápido". respuesta" durante el proceso de diseño. El conjunto de herramientas involucradas en el uso del producto incluía entrada lógica y definición de cronograma de pruebas (usando los propios lenguajes de descripción de Ferranti), simulación lógica, definición y verificación de diseño y generación de máscaras para prototipos de matrices de puertas. El sistema también buscó admitir diseños completamente enrutados automáticamente, utilizando características arquitectónicas de los arreglos enrutables automáticamente (AR) de Ferranti para ofrecer un "sistema de diseño automático 100 por ciento exitoso" y esta conveniencia genera un aumento en el área de silicio de aproximadamente un 25 por ciento. . [15]
Otras empresas británicas desarrollaron productos para el diseño y fabricación de conjuntos de puertas. Qudos Limited, una empresa derivada de la Universidad de Cambridge, ofreció un producto de diseño de chips llamado Quickchip disponible para los sistemas VAX y MicroVAX II y como una solución completa llave en mano de 11.000 dólares, proporcionando un conjunto de herramientas muy similares a las de los productos de Ferranti, incluido el diseño automático, el enrutamiento , funcionalidad de simulación y verificación de reglas para el diseño de conjuntos de puertas. Qudos empleó litografía por haz de electrones, [16] grabando diseños en dispositivos Ferranti ULA que formaron la base física de estos chips personalizados. Los costes típicos de producción de prototipos se indicaron en 100 libras esterlinas por chip. [17] Quickchip fue posteriormente portado a Acorn Cambridge Workstation , con una versión de gama baja para BBC Micro , [18] y a Acorn Archimedes . [19]
La competencia indirecta surgió con el desarrollo de la matriz de puertas programables en campo (FPGA). Xilinx se fundó en 1984 y sus primeros productos eran muy parecidos a los primeros conjuntos de puertas, lentos y costosos, aptos sólo para algunos nichos de mercado. Sin embargo, la Ley de Moore rápidamente los convirtió en una fuerza y, a principios de la década de 1990, estaban alterando seriamente el mercado de sistemas de puertas.
Los diseñadores todavía deseaban una forma de crear sus propios chips complejos sin el gasto de un diseño totalmente personalizado y, finalmente, este deseo se cumplió con la llegada no solo de la FPGA, sino también del dispositivo lógico programable complejo (CPLD), celdas estándar metálicas configurables. (MCSC) y ASIC estructurados. Mientras que una matriz de puertas requería una fundición de obleas semiconductoras de back-end para depositar y grabar las interconexiones, la FPGA y la CPLD tenían interconexiones programables por el usuario. El enfoque actual es crear prototipos mediante FPGA, ya que el riesgo es bajo y la funcionalidad se puede verificar rápidamente. Para dispositivos más pequeños, los costes de producción son suficientemente bajos. Pero para los FPGA grandes, la producción es muy costosa, consume mucha energía y, en muchos casos, no alcanza la velocidad requerida. Para abordar estos problemas, varias empresas de ASIC como BaySand, Faraday, Gigoptics y otras ofrecen servicios de conversión de FPGA a ASIC.
Mientras el mercado florecía, faltaban beneficios para la industria. Los semiconductores sufrieron una serie de recesiones continuas durante la década de 1980 que crearon un ciclo de auge y caída. Las recesiones generales de 1980 y 1981-1982 fueron seguidas por altas tasas de interés que frenaron el gasto de capital. Esta reducción causó estragos en el negocio de los semiconductores, que en ese momento dependía en gran medida del gasto de capital. Los fabricantes desesperados por mantener sus fábricas llenas y permitirse una modernización constante en una industria en rápido movimiento se volvieron hipercompetitivos. Los numerosos nuevos participantes en el mercado hicieron que los precios de las matrices de puertas bajaran hasta los costes marginales de los fabricantes de silicio. Empresas sin fábrica como LSI Logic y CDI sobrevivieron gracias a la venta de servicios de diseño y tiempo de computación en lugar de a los ingresos por producción. [8]
A principios del siglo XXI, el mercado de matrices de puertas era un vestigio de lo que era antes, impulsado por las conversiones de FPGA realizadas por razones de costo o rendimiento. IMI pasó de los conjuntos de puertas a circuitos de señal mixta y luego fue adquirido por Cypress Semiconductor en 2001; CDI cerró sus puertas en 1989; y LSI Logic abandonó el mercado en favor de productos estándar y finalmente fue adquirida por Broadcom. [20]
Una matriz de puertas es un chip de silicio prefabricado en el que la mayoría de los transistores no tienen una función predeterminada. Estos transistores se pueden conectar mediante capas metálicas para formar puertas lógicas NAND o NOR estándar . Estas puertas lógicas pueden luego interconectarse en un circuito completo en la misma capa metálica o en capas posteriores. La creación de un circuito con una función específica se logra agregando esta capa o capas finales de interconexiones metálicas al chip en una etapa avanzada del proceso de fabricación, lo que permite personalizar la función del chip según se desee. Estas capas son análogas a las capas de cobre de una placa de circuito impreso .
Los primeros conjuntos de puertas comprendían transistores bipolares , generalmente configurados como configuraciones lógicas de transistor-transistor de alto rendimiento , lógica de emisor acoplado o lógica de modo actual . Posteriormente se desarrollaron conjuntos de puertas CMOS ( semiconductores de óxido de metal complementario ) que llegaron a dominar la industria.
Las porciones maestras de matriz de puertas con chips sin terminar dispuestas a lo largo de una oblea generalmente se prefabrican y se almacenan en grandes cantidades independientemente de los pedidos de los clientes. El diseño y la fabricación de acuerdo con las especificaciones individuales del cliente se pueden terminar en un tiempo más corto que la celda estándar o el diseño personalizado completo . El enfoque de matriz de puertas reduce los costos no recurrentes de las máscaras de ingeniería , ya que es necesario producir menos máscaras personalizadas. Además, se reducen los costos y el tiempo de fabricación de las herramientas de prueba: se pueden usar los mismos accesorios de prueba para todos los productos de matriz de compuertas fabricados con el mismo tamaño de matriz . Los conjuntos de puertas fueron los predecesores de los ASIC estructurados más complejos ; A diferencia de las matrices de puertas, los ASIC estructurados tienden a incluir memorias y/o bloques analógicos predefinidos o configurables.
Se debe construir un circuito de aplicación sobre un conjunto de puertas que tenga suficientes puertas, cableado y pines de E/S. Dado que los requisitos varían, los conjuntos de puertas generalmente vienen en familias, y los miembros más grandes tienen más recursos, pero en consecuencia son más caros. Si bien el diseñador puede contar con bastante facilidad cuántas puertas y pines de E/S se necesitan, el número de pistas de enrutamiento necesarias puede variar considerablemente incluso entre diseños con la misma cantidad de lógica. (Por ejemplo, un interruptor de barra transversal requiere mucho más enrutamiento que un conjunto sistólico con el mismo número de puertas). Dado que las pistas de enrutamiento no utilizadas aumentan el costo (y disminuyen el rendimiento) de la pieza sin proporcionar ningún beneficio, los fabricantes de conjuntos de puertas intentan proporcionar solo suficientes pistas para que se puedan enrutar la mayoría de los diseños que se ajusten en términos de puertas y pines de E/S. Esto se determina mediante estimaciones como las derivadas de la regla de Rent o mediante experimentos con diseños existentes.
Los principales inconvenientes de los conjuntos de puertas son su densidad y rendimiento algo menores en comparación con otros enfoques del diseño de ASIC. Sin embargo, este estilo suele ser un enfoque viable para volúmenes de producción bajos.
Los conjuntos de puertas se utilizaron ampliamente en las computadoras domésticas desde principios hasta mediados de la década de 1980, incluso en ZX81 , ZX Spectrum , BBC Micro , Acorn Electron , Advance 86 y Commodore Amiga .
En la década de 1980, las CPU Forth Novix N4016 y HP 3000 Series 37, ambas máquinas apiladas , se implementaron mediante matrices de puertas, al igual que algunas funciones de terminal gráfico. [21] [22] Parte del hardware de soporte en al menos los servidores DEC y HP de la década de 1990 se implementó mediante matrices de puertas. [23] [24]
En el Reino Unido, Ferranti, con sus conjuntos de aislamiento difuso de colector bipolar (CDI), fue pionero en el uso comercial de conjuntos de puertas y durante muchos años esta fue, con diferencia, la tecnología más utilizada.
{{cite book}}: |website=ignorado ( ayuda ){{cite book}}: |website=ignorado ( ayuda )El chip de CPU Serie 37 es una matriz de puertas CMOS que utiliza casi 8000 puertas.
Para reducir el recuento de IC en la tarjeta de video, se utilizan un PLA (matriz lógica programable) y una matriz de puertas TTL.
La matriz de puertas implementa la mayor parte de los circuitos de la sección del controlador de gráficos, incluido el control de la RAM.
En comparación con los circuitos discretos, el conjunto de puertas consume una quinta parte del espacio, un cuarto de la energía y la mitad del costo.
Todos los módulos utilizan matrices de puertas de la serie LSI Logic LCA100K para la interfaz del bus del sistema y para funciones lógicas integradas.
El LSI Logic LCA100K cuenta con puertas NAND de dos entradas de hasta 235 K.
Todos los módulos utilizan el mismo circuito controlador de E/S personalizado dentro de sus respectivos conjuntos de puertas para controlar y recibir el bus del sistema.
Se desarrolló un paquete personalizado de matriz de rejilla de pines (PGA) de 419 pines para albergar todas las matrices de puertas de interfaz de bus.
... Un sistema DEC 7000 mínimo incluye 430.000 puertas lógicas contenidas en conjuntos de puertas, mientras que un
VAX 6000 Modelo 200
mínimo incluye 94.000 puertas.
Los PA 8000 funcionarán inicialmente a 180 MHz, y el resto del sistema funcionará a 120 MHz.
A excepción del
PA 8000
y las SRAM y DRAM asociadas, la mayor parte de la lógica del sistema se implementa en matrices de puertas Fujitsu CG61 de 0,35 μm, como se muestra en la Tabla I. (Interfaz del procesador, barra transversal, interfaz de memoria, interfaz de nodo a nodo) Se implementa una matriz de puertas adicional en el proceso CG51 de 0,5 μm, mucho menos costoso.
(Interfaz de E/S)
Medios relacionados con matrices de puertas en Wikimedia Commons