ASIC 的可编程器件实现方法 微电子与光电子研究所

韩雁 2015 年 4 月

第七讲

电路实现形式及与成本的考量• 对于数量较大的专用集

成电路 – 采用版图设计的方法

（亦称掩膜法） 进行批量生产较为合理

– 全定制法与标准单元法 均属于掩膜法。

• 但当数量较小 , 或仅是为某些样机研制样片 – 用可编程器件法实现 ,

将是更合理的选择。23/4/21 浙大微电子 2/43

可编程器件与现场可编程器件• 可编程器件家族

1. 可编程只读存储器 ROM 系列2. 可编程逻辑器件 PLD 系列3. 规模和功能都上了一个档次的 CPLD 系列4. 现场可编程门阵列 FPGA 系列

• 可编程器件的编程方法– 工厂的部分掩膜编程方法 可编程 ROM 系列中的 ROM 和可编程逻辑器件中的

PLA– 用户的现场编程方法 除上面两类的其它器件

• 用户现场编程方法有着十分明显的优越性 , 具有十分强大的生命力和发展潜力。 23/4/21 浙大微电子 3/43

可编程器件家族1. 可编程只读存储器 ROM 系列2. 可编程逻辑器件 PLD 系列3. 规模和功能都上了一个档次的 CPLD 系列4. 现场可编程门阵列 FPGA 系列

23/4/21 浙大微电子 4/43

1 、可编程只读存储器 ROM系列 • ROM （ Read Only Memory ）• PROM （ Programmable ROM ）• EPROM （ Erasable PROM ）• EEPROM/E2PROM （ Electrical EPROM

）

23/4/21 浙大微电子 5/43

ROM (工厂掩膜编程 )

问题：

能读出 0 电平吗？

23/4/21 浙大微电子 6/43

PROM（用户现场编程）

熔丝型 PROM 单元结构 结破坏型 PROM 单元结构

称为一次性可编程只读存储器

问题：会不会整个字节都被编程为“ 1” 或“ 0” ？

如何避免？23/4/21 浙大微电子 7/43

1. 熔丝（ Fuse ）技术 是用熔丝作为开关元件，这些开关元件在未编程

时处于连通状态，加电编程时，在不需要连接处将熔丝熔断，最终形成的熔丝模式决定了整个器件的逻辑功能（前页左）。

2. 反熔丝（ Anti-Fuse ）技术 也称熔通技术，这类器件是用逆熔丝作为开关元

件。这些开关元件在未编程时处于开路状态，编程时，在需要连接处的开关元件两端加上编程电压将其融通（前页右）。

23/4/21 浙大微电子 8/43

EPROM （可擦除式现场编程）采用可逆工作机理的“浮栅”雪崩注入 MOS 电路

写入 1 ：D 端加高压， S 端接地。雪崩击穿，隧道效应，浮栅中电子隧穿跑出，剩下正电荷，形成反型层沟道读出：字线加高电平擦除：紫外光的照射可使浮栅上的电荷获得能量 , 穿过绝缘层 , 跑回衬底 称为光可擦除式（可多次进行 , 但次数有限）

浮栅结构，写入前全0

23/4/21 浙大微电子 9/43

EEPROM （电可擦除式现场编程）

叠栅结构， 写入前全 0

写入 1 ：

D 端加高压， G 端高电平， S 端接地。 雪崩击穿，隧道效应，浮栅中积累负电荷，阻碍反型层沟道的形成。

读出： D 端 G 端同时加高电平

擦除 1 ：

D 端加高压 , G 加 0V, 雪崩击穿 , 正电荷注入浮栅与负电荷中和 , 存储单元由“ 1” 变为“ 0” 。

可多次进行23/4/21 浙大微电子 10/43

Flesh Memory

23/4/21 浙大微电子 11/43

Flesh Memory 读 写 擦除 空闲

电源端 D 高电平 高压 高压 低电平

字线 W 1 1 0 Z

位线 B X 写 1 浮空 Z写 0 接地 0

浮空 Z

23/4/21 浙大微电子 12/43

关于电源高压 VD 的产生电路工艺角 PVT 包括 SS,SF,FS,FF,TT

本身工作电压 Vcc=1.5~2.1V （高电平 1.8V 士 0.3V ）在所有的 PVT 下，电荷泵输出为 6.75V 和 1.6mA

电荷泵的功效要大于 40%

由电荷泵构成的电压源的功效要大于 70%

负载电流从 0.1mA 到 1.6mA 范围内，输出电压降小于 150mV

输出电压纹波小于士 50mV

负载 30pF

军品温度范围 : -55°C ~ 125°C

面积小于 0.22mm2

23/4/21 浙大微电子 13/43

关于字线电压 VG 的产生电路工艺角 PVT 包括 SS,SF,FS,FF,TT负载 电容 3pF输出电压 VG = 5-6V建立时间 <20nS工作时本身消耗电流 <5mA空载时本身消耗电流 <1uA (0 消耗 )在所有的 PVT 下，输出电压变化 <20mV本身工作电源电压 Vcc=1.5~2.1V （ 1.8V 士 0.3

V ）军品温度范围 : -55°C~125°C电阻必须片内集成23/4/21 浙大微电子 14/43

可编程器件家族1. 可编程只读存储器 ROM 系列2. 可编程逻辑器件 PLD 系列3. 规模和功能都上了一个档次的 CPLD 系列4. 现场可编程门阵列 FPGA 系列

23/4/21 浙大微电子 15/43

2 、可编程逻辑器件 PLD系列• 可编“与”逻辑、可编“或”逻辑的 PLA

（ Programmable Logic Array ）• 可编“与”逻辑、固定“或”逻辑的 PAL

（ Programmable Array Logic ）• I/O 端口亦可编程的 GAL

（ Generic Array Logic ）

23/4/21 浙大微电子 16/43

• 任何组合逻辑的功能都可以转化为“与”之“或”的逻辑表达形式

F =ABC + BCD +AD

• 对栅极进行选择性开引线孔实际上就是对电路进行编程

PLA（部分掩膜编程）

与矩阵

或矩阵

23/4/21 浙大微电子 17/43

乘积项之和

23/4/21 浙大微电子 18/43

PAL（现场可编程） PAL 是一种现场可编程的 PLA

参照 PROM 的现场可编程技术 让设计者可自己“烧”逻辑（一次性器件）

且只对“与”阵列编程，“或”阵列为固定的。

23/4/21 浙大微电子 19/43

GAL(现场可编程 )• 电可擦除的 PAL （参照 EEPROM 叠栅工艺） 可多次使用。• 输出端也设计成可编程的宏单元结构， 通过对若干个变量的控制 , 可将输出设置成

– 组合逻辑输出– 时序逻辑输出–三态输出–双向输入 / 输出

23/4/21 浙大微电子 20/43

可编程器件家族1. 可编程只读存储器 ROM 系列2. 可编程逻辑器件 PLD 系列3. 规模和功能都上了一个档次的 CPLD 系列4. 现场可编程门阵列 FPGA 系列

23/4/21 浙大微电子 21/43

3 、 CPLD• Complex Programmable Logic Device

复杂可编程逻辑器件• 是 FPGA 的雏形• 电路结构与 FPGA 类似，但规模、资源少• FPGA 与 CPLD 的辨别主要是根据其结构特点和工作原理：– 以乘积项方式构成逻辑行为的器件称为 CPLD– 以查表法方式构成逻辑行为的器件称为

FPGA

23/4/21 浙大微电子 22/43

CPLD FPGA

程序存储 不需要 内部 SRAM ，外挂EEPROM

资源类型 组合电路资源丰富 触发器资源丰富集成度 低 高使用场合 完成控制逻辑 完成比较复杂的算法速度 慢 快其他资源 － 锁相环、 DSP等保密性 强 弱

23/4/21 浙大微电子 23/43

可编程器件家族1. 可编程只读存储器 ROM 系列2. 可编程逻辑器件 PLD 系列3. 规模和功能都上了一个档次的 CPLD 系列4. 现场可编程门阵列 FPGA 系列

23/4/21 浙大微电子 24/43

4 、 FGPA (现场可编程逻辑阵列 )

基本单元由三类模块组成1. CLB ( Configurable Logic

Block) ， 实现各种逻辑操作 ,由组合逻辑部件、 D触发器、多路选择器组成

2. 开关矩阵 ( Switching Matrix ) ，完成复杂的内部连接 , 也叫 PIR (Programmable Interconnect Resource)

3. 输入 / 输出模块 ( I/O Block ) ，实现输入、输出、双向、延迟、三态等各种输入 / 输出功能

23/4/21 浙大微电子 25/43

CLB 模块

查找表LUT

1输入

2输入

3输入

4输入

输出

主要组成部件：•逻辑函数发生器•触发器•数据选择器

函数发生器基于 查找表 LUT 单元

23/4/21 浙大微电子 26/43

SM 模块通过自动布线实现各种电路的连接

PIR 由许多金属线段构成，这些线段带有可编程开关

23/4/21 浙大微电子 27/43

I/0 Block•输入触发器•输入缓冲器•输出触发 /锁存器•输出缓冲器每个 IOB控制一个引脚它们可被配置为

–输入–输出–双向–反向–高阻等

23/4/21 浙大微电子 28/43

其它辅助元器件和连线• PIPs -- Programmble Interconnect Points 可编程的内连点• BIBs -- Bidirectional Interconnect Buffers 双向内连缓冲器• VLL -- Vertical Long Line 垂直长线 , 在垂直方向起快速通道作用• HLL-- Horizontal Long Line 水平长线 , 在水平方向起快速通道作用• 三态缓冲器 ( 3 - State Buffer)• 全局网络 ( Global Net ) 等等

23/4/21 浙大微电子 29/43

FPGA 内部样貌

23/4/21 浙大微电子 30/43

FPGA 产品 商品化的 FPGA 产品很多 , 且各有特点：• 由一块 EPROM驱动 , 所有的 ASIC 设计数据都写入

EPROM而不是直接写入 FPGA芯片。将这块 EPROM 与FPGA芯片相连 , 工作时 , 在通电的瞬间 , 先由 EPROM

将其内部的设计数据灌入 FPGA 中的 SRAM, 形成具体的工作电路配置 , 完成 ASIC 的特定功能。断电后 , SRAM 上的这些数据自然挥发 , 又变成一块通用的原始 FPGA芯片 ,

可派作它用• 一次性的 , 将采用熔丝技术的 PROM做在 FPGA芯片内

部 , 工作时可不必额外拖带一块 EPROM 电路23/4/21 浙大微电子 31/43

•目前世界上有十几家生产 CPLD/FPGA 的公司，最大的四家是：

•ALTERA ，•XILINX ，•Lattice ，•Actel ，其中 ALTERA 和 XILINX占有了 60% 以上的市场份额

23/4/21 浙大微电子 32/43

Altera 的主流产品分为两大类•低成本应用 ,容量中等 ,性能满足一般的设计要求 Cyclone,Cyclone II,V 等

•高性能应用 ,容量大 ,性能满足各类高端应用 , Stratix,Stratix II,V 等

用户可以根据自己实际应用要求进行选择。

开发软件为 QuartusⅡ

23/4/21 浙大微电子 33/43

Altera Cyclone V: 2011年推出 ,28nm 工艺 , 1.1V 内核供电

功能 5CEA2 5CEA5 5CEA8 5CEB5 5CEB9

等效逻辑单元 （ LE ） 25,000 48,000 75,000 150,000 300,000

M10K RAM 块 ( Kbits ） 1,560 3,120 4,620 6,160 12,760

PLL 4 4 4 4 4

DSP 39 78 132 220 406

存储器控制硬核 1 1 2 2 2

支持 I/O 电压（ V ） 1.1, 1.2, 1.5, 1.8, 2.5, 3.3

23/4/21 浙大微电子 34/43

Altera Stratix V: 2011年推出 ,28nm 工艺 , 0.85V 内核供电

功能 5SGXA3 5SGXA4 5SGXA5 5SGXA7 5SGXA9 5SGXAB

自适应逻辑模块（ ALM ） 75,500 113,000 160,500 234,750 317,000 397,000

等效逻辑单元 （ LE ） 200,000 300,000 425,000 622,000 840,000 1,052,000

Registers 302,000 452,000 642,000 939,000 1,268,000 1,588,000

M20K RAM 块 (20 Kb ） 800 1,316 2,304 2,560 1,600 2,016

总嵌入 RAM （ M bits ） 16 26 45 50 31 39

18x18乘法器 376 376 512 512 1,000 1,500

支持 I/O 电压（ V ） 1.2, 1.5, 1.8, 2.5, 3.3

23/4/21 浙大微电子 35/43

ALM 和 LE

• ALM 由组合逻辑、两个寄存器和两个加法器构成• 组合部分含 8 个输入，包括一个查找表 (LUT) ，使用 Altera 的专利 LUT 技术，查找表可以在两个自适应 LUT (ALUT) 之间进行划分。一个完整的 ALM 可实现一个任意 6 输入功能，但是由于组合逻辑模块有 8 个输入，因此，一个 ALM 可以实现两个功能的各种组合。

• 一个等效逻辑单元 LE 基本上可以看成由一个小型的 LUT ，一个 D触发器和一个 2to1 选择器

23/4/21 浙大微电子 36/43

Altera 2013年底推出第 10代FPGAAltera 公司第 10 代 FPGA ，将于 2014 年第4 季度量产，包含两个子系列：

– Arria 10 ：中端 FPGA ，采用 TSMC 20nm 工艺

– Stratix 10 ：高端 FPGA ，采用 Intel 14nm 工艺

23/4/21 浙大微电子 37/43

Xilinx 的主流产品分为两大类•低成本应用，容量中等，性能满足一般设计要求如 Spartan 系列；

•高性能应用，容量大，性能满足各类高端应用，如 Virtex 系列

开发软件为 ISE

23/4/21 浙大微电子 38/43

Xilinx Spartan-6:2009年初推出， 45nm 工艺，低成本、低功耗

•DSP 块内含 18x18 乘法器、加法器、累加器各 1 个

器件 逻辑单元最大Block RAM （kb ）

DSP块

存储器控制块

最大用户 I/O 数

价格（美元）

XC6SLX4 3,840 216 8 0 132 6-10

XC6SLX9 9,152 576 16 2 200 10-15

XC6SLX16 14,579 576 32 2 232 13-25

XC6SLX25 24,051 936 38 2 266 20-42

XC6SLX45 43,661 2,088 58 2 358 30-52

XC6SLX75 74,637 3,096 132 4 408 52-80

XC6SLX100 101,261 4,824 180 4 480 63-137

XC6SLX150 147,443 4,824 180 4 576 97-180

23/4/21 浙大微电子 39/43

Xilinx Virtex-6: 2009年初推出， 45nm 工艺，面向高端应用器件 逻辑单元

最大 Block RAM （ kb ）

DSP块

最大用户I/O 数

XC6VLX75T 74,496 5,616 288 360

XC6VLX130T 128,000 9,504 480 600

XC6VLX195T 199,680 12,384 640 600

XC6VLX240T 241,152 14,976 768 720

XC6VLX365T 364,032 14,976 576 720

XC6VLX550T 549,888 22,752 864 1200

XC6VLX760 758,784 25,920 864 1200

23/4/21 浙大微电子 40/43

具有比 6 系列更高的性价比：– Artix-7 系列： 最低成本与功耗– Kintex-7 系列：最佳性价比– Virtex-7 系列：最高带宽和系统性能

Xilinx - 7 系列 : 2011年推出， 28nm 工艺

23/4/21 浙大微电子 41/43

Xilinx UltraScale FPGA

• Xilinx 公司于 2013 年底推出 UltraScale 系列– Kintex UltraScale （中端）– Virtex UltraScale （高端）

• 目前推出的 UltraScale 采用 TSMC 20nm  工艺

• 未来将采用 TSMC 16nm 工艺。

23/4/21 浙大微电子 42/43

Thank ！

23/4/21 浙大微电子 43/43

补充作业—调查问卷• 你最喜欢的 3 门专业课是什么，为什么？• 你最不喜欢的 3 门专业课是什么，为什么？• 对本课程及教材的评价。

23/4/21 浙大微电子 44/43

Altera Stratix II: 2004年中期推出90um 工艺 ,1.2V 内核供电 ,大容量高性能FPGA

功能 EP2S15 EP2S30 EP2S60 EP2S90 EP2S130 EP2S180

自适应逻辑模块 ALM 6,240 13,552 24,176 36,384 53,016 71,760

等效逻辑单元 LE 15,600 33,880 60,440 90,960 132,540 179,400

M512 RAM 块 (512 bits) 104 202 329 488 699 930

M4K RAM 块 (4 Kbits ） 78 144 255 408 609 768

M-RAM 块 (512 K ） 0 1 2 4 6 9

RAM bits 419,328 1,369,728 2,544,192 4,520,448 6,747,840 9,383,040

DSP块（每个 DSP 包含 4 个 18x18乘法器） 12 16 36 48 63 96

锁相环（ PLL ） 6 6 12 12 12 12

最大可用 I/O管脚 358 542 702 886 1,110 1,158 23/4/21 浙大微电子 45/43

Xilinx Virtex-4: 2004年推出， 90nm 工艺，面向高端应

用1.2v Slices RAM 块 DSP

块 备 注

4VLX15 6144 48 32

每个 RAM块容量是 18Kbit ，DSP块可以配置为1 个 18x18乘法器，加法器或累加器

4VLX25 10752 72 48

4VLX40 18432 96 64

4VLX60 26624 160 64

4VLX80 35840 200 80

4VLX100 49152 240 96

4VLX160 67584 288 96

4VLX200 89088 336 96

23/4/21 浙大微电子 46/43