Una matriz de compuertas es un método para diseñar y fabricar circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC) que utiliza un chip prefabricado con componentes que luego se interconectan en dispositivos lógicos (por ejemplo, compuertas NAND , flip-flops , etc.) según un pedido personalizado agregando capas de interconexión de metal en la fábrica. Fue popular durante la convulsión en la industria de semiconductores en la década de 1980, y su uso disminuyó a fines 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 conocían como matrices lógicas no comprometidas ( ULA ), que también ofrecían funciones de circuitos lineales, [1] y chips semipersonalizados . [ cita requerida ]
Los conjuntos de puertas tuvieron varias vías de desarrollo simultáneas. Ferranti en el Reino Unido fue pionera en la comercialización de la tecnología ULA bipolar , [2] ofreciendo circuitos de "100 a 10.000 puertas y más" en 1983. [3] [4] El liderazgo temprano de la empresa en chips semipersonalizados, con la aplicación inicial de un circuito integrado ULA que involucraba una cámara de Rollei en 1972, que se expandió a "prácticamente todos los fabricantes de cámaras europeos" como usuarios de la tecnología, llevó al dominio de la empresa en este mercado en particular durante la década de 1970. Sin embargo, en 1982, hasta 30 empresas habían comenzado a competir con Ferranti, lo que redujo la participación de mercado de la empresa a alrededor del 30 por ciento. Los "principales competidores" de Ferranti eran otras empresas británicas como Marconi y Plessey, que habían obtenido licencias de tecnología de otra empresa británica, Micro Circuit Engineering. [5] Una iniciativa contemporánea, UK5000, también buscó producir una matriz de puertas CMOS con "5.000 puertas utilizables", con la participación de British Telecom y varias otras importantes empresas tecnológicas británicas. [6]
IBM desarrolló matrices bipolares patentadas que utilizó en la fabricación de mainframes a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, pero nunca las comercializó externamente. Fairchild Semiconductor también coqueteó brevemente a fines de la década de 1960 con la lógica de diodos-transistores y la lógica de transistores-transistores de matrices bipolares llamadas Micromosaic y Polycell. [7]
La tecnología CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor ) abrió la puerta a la amplia comercialización de matrices de puertas. Las primeras matrices de puertas CMOS fueron desarrolladas 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 empleados de IBM. Esta primera línea de productos empleaba tecnología CMOS de metal de un solo nivel de 7,5 micrones y variaba 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 luego se convirtieron en estándar en los diseños futuros. Las más importantes fueron: la estricta organización de los transistores de canal n y canal p en pares de 2-3 filas a lo largo del chip; y ejecutar todas las interconexiones en cuadrículas en lugar de un espaciado 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 con cuadrícula de precisión, utilizando lápices de colores para delinear cada capa de procesamiento. Luego, se cortaban y pelaban láminas de Rubylith para crear una representación a escala (normalmente) de 200x a 400x de la capa de proceso. Luego, esto se fotorredujo para hacer una máscara de 1x. La digitalización, en lugar del corte con rubí, se estaba convirtiendo en la última tecnología, pero inicialmente solo eliminó la etapa del rubí; los dibujos todavía se hacían a mano y luego se digitalizaban "a mano". Mientras tanto, las placas de PC habían pasado del rubí 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 podían diseñar rápidamente circuitos personalizados a mano 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 que competía con IMI y, poco después, una línea de productos de una sola capa con compuertas de silicio de 5 micrones con densidades de hasta 1200 compuertas. Un par de años después, CDI siguió con matrices de compuertas "sin canal" que reducían los bloqueos de filas causados por una subcapa de silicio más compleja que precableaba las conexiones de transistores individuales a las ubicaciones necesarias para las funciones lógicas comunes, simplificando la interconexión de metal de primer nivel. Esto aumentó las densidades de los chips en un 40%, reduciendo significativamente los costos de fabricación. [8]
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Los primeros conjuntos de puertas tenían un bajo rendimiento y eran relativamente grandes y caros en comparación con la tecnología n-MOS de última generación que se utilizaba en aquel entonces para chips personalizados. La tecnología CMOS estaba impulsada por aplicaciones de muy bajo consumo, como chips para relojes e instrumentación portátil que funcionaba con baterías, no por el rendimiento. Además, su rendimiento era muy inferior al de la tecnología lógica dominante existente, la lógica transistor-transistor . Sin embargo, había muchas aplicaciones de nicho en las que eran invaluables, en particular en aplicaciones de bajo consumo, reducción de tamaño, portátiles y aeroespaciales, así como en productos sensibles al tiempo de comercialización. Incluso estos pequeños conjuntos podían reemplazar una placa llena de puertas lógicas transistor-transistor si el rendimiento no era un problema. Una aplicación común era la combinación de varios circuitos más pequeños que admitían un circuito LSI más grande en una placa, lo que se conocía cariñosamente como "recolección de basura". Y el bajo costo de desarrollo y las herramientas personalizadas hicieron que la tecnología estuviera disponible para los presupuestos más modestos. Los primeros conjuntos de puertas jugaron un papel importante en la moda de los CB en la década de 1970, así como también sirvieron como vehículo para la introducción de otros productos posteriores producidos en masa, como módems y teléfonos celulares.
A principios de los años 1980, las matrices de puertas estaban empezando a salir de sus aplicaciones de nicho para entrar en el 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 puso de moda cuando en 1981 IBM presentó su nuevo buque insignia , el mainframe 3081 , con CPU que comprendía 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] [11]
En 1981, Wilfred Corrigan , Bill O'Meara, Rob Walker y Mitchell "Mick" Bohn fundaron LSI Logic . [12] Su intención inicial era comercializar matrices de puertas lógicas acopladas a emisor, pero descubrieron que el mercado se estaba moviendo rápidamente hacia CMOS. En cambio, licenciaron la línea CMOS de puerta de silicio de CDI como una 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 que se podía automatizar por completo. LSI desarrolló un conjunto de herramientas de desarrollo patentadas que permitían a los usuarios diseñar su propio chip desde sus propias instalaciones mediante el inicio de sesión remoto en el sistema de LSI Logic.
Sinclair Research adaptó un diseño ZX80 mejorado a un chip ULA para el ZX81 , y más tarde utilizó un ULA en el ZX Spectrum . Se fabricó un chip compatible en Rusia como T34VG1. [13] Acorn Computers utilizó varios chips ULA en el BBC Micro , y más tarde un solo ULA para el Acorn Electron . Muchos otros fabricantes de la época del auge de los ordenadores domésticos utilizaron ULA en sus máquinas. El IBM PC se apoderó de gran parte del mercado de ordenadores 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 Gary y Gayle, como sus nombres en código pueden sugerir.
En un intento por reducir los costes y aumentar la accesibilidad del diseño y la producción de matrices de puertas, Ferranti introdujo en 1982 una herramienta de diseño asistida por ordenador para su producto de matriz lógica no comprometida (ULA) llamada ULA Designer. Aunque su adquisición costaba 46.500 libras, esta herramienta prometía ofrecer unos costes reducidos de unas 5.000 libras por diseño, más unos costes de fabricación de 1-2 libras por chip en grandes volúmenes, en contraste con los 15.000 libras que costaba contratar los servicios de Ferranti para el proceso de diseño. [14] Basada en un miniordenador PDP-11/23 que ejecutaba RSX/11M, junto con una pantalla gráfica, teclado, "placa digitalizadora", pupitre de control y trazador opcional, la solución tenía como objetivo satisfacer las necesidades de diseño de matrices de puertas de entre 100 y 10.000 puertas, con el diseño a cargo íntegramente de la organización que adquiría la solución, comenzando con un "plan lógico", siguiendo con el diseño de la lógica en la propia matriz de puertas y concluyendo con la definición de una especificación de prueba para la verificación de la lógica y para establecer un régimen de prueba automatizado. La verificación de los diseños completados era 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. La creación de prototipos de los diseños completados llevaba aproximadamente de 3 a 4 semanas. El propio miniordenador también era adaptable para funcionar como un sistema de laboratorio o de oficina cuando fuera necesario. [15]
Ferranti siguió con 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 controlada por una unidad gráfica con 500 KB de memoria propia para "capacidades de edición, pintura y creación de ventanas a alta velocidad". El software en sí estaba disponible por separado para las organizaciones que probablemente ya utilizarían sistemas VAX-11/780 para proporcionar un entorno multiusuario, pero el paquete de hardware y software del "sistema independiente" tenía como objetivo proporcionar una solución más asequible con una "respuesta más rápida" durante el proceso de diseño. El conjunto de herramientas involucradas en el uso del producto incluía la entrada de lógica y la definición del cronograma de pruebas (utilizando los propios lenguajes de descripción de Ferranti), la simulación lógica, la definición y verificación del diseño y la generación de máscaras para matrices de puertas prototipo. El sistema también buscaba soportar diseños completamente enrutados automáticamente, utilizando características arquitectónicas de las matrices auto-enrutables (AR) de Ferranti para ofrecer un "sistema de diseño automático con 100 por ciento de éxito" con esta conveniencia generando un aumento en el área de silicio de aproximadamente el 25 por ciento. [16]
Otras empresas británicas desarrollaron productos para el diseño y fabricación de matrices de puertas. Qudos Limited, una empresa derivada de la Universidad de Cambridge, ofreció un producto de diseño de chips llamado Quickchip disponible para sistemas VAX y MicroVAX II y como una solución llave en mano completa de 11.000 dólares, que proporcionaba un conjunto de herramientas muy similares a las de los productos de Ferranti, incluyendo el diseño automático, el enrutamiento, la comprobación de reglas y la funcionalidad de simulación para el diseño de matrices de puertas. Qudos empleó la litografía por haz de electrones [17] , grabando diseños en dispositivos Ferranti ULA que formaban la base física de estos chips personalizados. Los costes típicos de producción de prototipos se indicaron en 100 libras por chip [18] . Posteriormente, Quickchip se adaptó a la estación de trabajo Acorn Cambridge , con una versión de gama baja para la BBC Micro [ 19] y para la Acorn Archimedes [20] .
La competencia indirecta surgió con el desarrollo de la matriz de compuertas programable en campo (FPGA). Xilinx se fundó en 1984 y sus primeros productos eran muy parecidos a las primeras matrices de compuertas: lentos y caros, aptos sólo para algunos nichos de mercado. Sin embargo, la Ley de Moore los convirtió rápidamente en una fuerza y, a principios de los años 90, estaban alterando seriamente el mercado de las matrices de compuertas.
Los diseñadores aún deseaban una manera 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 del FPGA, sino también del dispositivo lógico programable complejo (CPLD), las celdas estándar configurables de metal (MCSC) y los ASIC estructurados. Mientras que una matriz de puertas requería una fundición de obleas de semiconductores para depositar y grabar las interconexiones, el FPGA y el CPLD tenían interconexiones programables por el usuario. El enfoque actual es hacer los prototipos con FPGA, ya que el riesgo es bajo y la funcionalidad se puede verificar rápidamente. Para dispositivos más pequeños, los costos de producción son suficientemente bajos. Pero para FPGA grandes, la producción es muy cara, 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 estaba en auge, la industria no obtenía beneficios. Los semiconductores sufrieron una serie de recesiones sucesivas 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 plantas de fabricación llenas y permitirse una modernización constante en una industria en rápida evolución, se volvieron hipercompetitivos. Los numerosos nuevos participantes en el mercado redujeron los precios de los conjuntos de puertas a los costos marginales de los fabricantes de silicio. Las empresas sin fábricas, como LSI Logic y CDI, sobrevivieron vendiendo servicios de diseño y tiempo de computación en lugar de ingresos por producción. [8]
A principios del siglo XXI, el mercado de matrices de puertas era un remanente de lo que era, impulsado por las conversiones de FPGA realizadas por razones de costo o rendimiento. IMI dejó de utilizar matrices de puertas para pasar a los circuitos de señal mixta y luego fue adquirida 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. [21]
Una matriz de compuertas 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 de metal para formar compuertas lógicas NAND o NOR estándar . Estas compuertas lógicas se pueden interconectar posteriormente para formar un circuito completo en las mismas capas de metal o en capas posteriores. La creación de un circuito con una función específica se logra añadiendo esta capa o capas finales de interconexiones de metal al chip en una fase 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 compuertas comprendían transistores bipolares , generalmente configurados como lógica transistor-transistor de alto rendimiento , lógica acoplada a emisor o configuraciones lógicas de lógica en modo corriente . Más tarde se desarrollaron conjuntos de compuertas CMOS ( metal-óxido-semiconductor complementario ) que llegaron a dominar la industria.
Las porciones maestras de matriz de puertas con chips sin terminar dispuestos en una oblea generalmente se prefabrican y se almacenan en grandes cantidades independientemente de los pedidos de los clientes. El diseño y la fabricación según las especificaciones individuales del cliente se pueden terminar en un tiempo más corto que la celda estándar o el diseño totalmente personalizado . El enfoque de matriz de puertas reduce los costos de ingeniería no recurrentes , ya que se necesitan producir menos máscaras personalizadas. Además, se reducen los costos y el tiempo de entrega de las herramientas de prueba de fabricación: se pueden usar los mismos accesorios de prueba para todos los productos de matriz de puertas fabricados en el mismo tamaño de matriz . Las matrices de puertas fueron las predecesoras de los ASIC estructurados más complejos ; a diferencia de las matrices de puertas, los ASIC estructurados tienden a incluir memorias predefinidas o configurables y/o bloques analógicos.
Un circuito de aplicación debe construirse sobre una matriz de puertas que tenga suficientes puertas, cableado y pines de E/S. Dado que los requisitos varían, las matrices de puertas suelen venir en familias, en las que los miembros más grandes tienen más recursos, pero son correspondientemente más caros. Si bien el diseñador puede contar con bastante facilidad cuántas puertas y pines de E/S se necesitan, la cantidad de pistas de enrutamiento necesarias puede variar considerablemente incluso entre diseños con la misma cantidad de lógica. (Por ejemplo, un interruptor de barra cruzada requiere mucho más enrutamiento que una matriz sistólica con la misma cantidad de puertas). Dado que las pistas de enrutamiento no utilizadas aumentan el costo (y reducen el rendimiento) de la pieza sin brindar ningún beneficio, los fabricantes de matrices de puertas intentan proporcionar solo las pistas suficientes para que se puedan enrutar la mayoría de los diseños que encajarán 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.
Las principales desventajas de los arreglos de puertas son su densidad y rendimiento algo inferiores en comparación con otros enfoques de diseño de ASIC. Sin embargo, este estilo suele ser un enfoque viable para volúmenes de producción bajos.
Las matrices de puertas se utilizaron ampliamente en las computadoras domésticas a principios y mediados de la década de 1980, incluidas 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 de pila , se implementaron mediante matrices de puertas, al igual que algunas funciones de terminal gráfica. [22] [23] Al menos parte del hardware de soporte en los servidores DEC y HP de la década de 1990 se implementó mediante matrices de puertas. [24] [25]
En el Reino Unido, Ferranti, con sus matrices de aislamiento difuso de colector bipolar (CDI), fue pionero en el uso comercial de matrices de compuertas y durante muchos años esta fue, con diferencia, la tecnología más utilizada.
El chip de la CPU de la Serie 37 es una matriz de puertas CMOS que utiliza casi 8000 puertas.
Para reducir el número de circuitos integrados en la tarjeta de video, se utilizan una matriz lógica programable (PLA) y una matriz de compuertas TTL. La matriz de compuertas implementa la mayor parte de los circuitos de la sección del controlador gráfico, incluido el control de la RAM. En comparación con los circuitos discretos, la matriz de compuertas consume una quinta parte del espacio, una cuarta parte de la energía y la mitad del costo.
Todos los módulos utilizan matrices de puertas de la serie LSI Logic LCA100K para la interfaz de bus del sistema y para las funciones lógicas integradas. El LSI Logic LCA100K presenta hasta 235K puertas NAND de dos entradas. Todos los módulos utilizan el mismo circuito controlador de E/S personalizado dentro de sus respectivas matrices 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 la interfaz de bus. ... Un sistema DEC 7000 mínimo incluye 430.000 puertas de lógica contenidas en matrices 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 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 de 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)
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