게이트 어레이

Gate array
싱클레어 ZX81 ULA

게이트 어레이는 공장에서 금속 인터커넥트 층을 추가하여 커스텀 오더에 따라 나중에 논리 디바이스(예를 들어 NAND 게이트, 플립 플랍 등)에 상호 접속되는 컴포넌트를 가진 조립식 칩을 사용하여 애플리케이션 고유의 집적회로(ASIC)를 설계 및 제조하는 방법입니다.80년대 반도체 업계가 격변할 때 인기를 끌다가 90년대 말에는 사용량이 줄었다.

아날로그, 아날로그 디지털 및 구조화 어레이의 설계 및 제조에도 유사한 기술이 사용되었지만, 일반적으로 이러한 기술을 게이트 어레이라고 부르지 않습니다.

게이트 어레이는 선형 [1]회로 기능을 제공하는 Uncommitted Logic Array(ULA; 인정되지 않은 논리 어레이) 및 세미 커스텀 [citation needed]칩으로도 알려져 있습니다.

역사

발전

게이트 어레이에는 여러 개의 동시 개발 경로가 있습니다.영국의 페란티는 [3][4]1983년까지 100~10,000 게이트 이상의 회로를 제공하여 양극성 ULA 기술을 상용화하는 [2]데 앞장섰다.1972년 Rollei의 카메라를 포함한 ULA 집적회로를 최초로 적용한 후, 이 테크놀로지의 유저로서 「실질적으로 모든 유럽 카메라 메이커」로 확대해, 준 커스텀 칩의 초기 도입은 1970년대 내내 이 특정 시장에 있어서의 동사의 우세로 연결되었습니다.그러나 1982년에는 30여 개 업체가 페란티와 경쟁하기 시작해 시장점유율이 30%대로 낮아졌다.페란티의 "주요 경쟁자"는 마르코니와 플레시와 같은 다른 영국 회사들로, 둘 다 또 다른 영국 회사인 마이크로 서킷 [5]엔지니어링으로부터 기술을 라이선스 받았다.현대 이니셔티브인 UK5000도 British Telecom과 다른 많은 주요 영국 기술 [6]회사들과 함께 "5,000개의 사용 가능한 게이트"를 갖춘 CMOS 게이트 어레이를 생산하려고 했습니다.

IBM은 1970년대 후반과 1980년대 초에 메인프레임 제조에 사용된 독점적인 양극성 마스터 슬라이스를 개발했지만, 이를 외부에 상용화하지는 않았습니다.페어차일드 세미컨덕터는 1960년대 후반에 마이크로모자이크와 [7]폴리셀이라는 양극 배열 다이오드 트랜지스터 로직과 트랜지스터 로직으로 잠시 충돌했다.

CMOS(상보 금속산화물반도체) 기술이 게이트 어레이의 광범위한 상용화의 물꼬를 텄다.최초의 CMOS 게이트 어레이는 IBM 출신 직원인 Frank Deverse, Jim Tuttle 및 Charlie Allen이 시작한 Sunnyvale 포토 마스크 숍 International Microcircuits, Inc.([7]IMI)를 위해 1974년에 Robert Lip에[8][9] 의해 개발되었습니다.이 첫 번째 제품 라인은 7.5미크론 싱글 레벨 메탈 CMOS 기술을 채택했으며 50~400개의 게이트를 적용했다.당시 CAD(Computer-Aided Design) 기술은 사용 가능한 처리 능력이 낮았기 때문에 매우 초보적이었기 때문에 이러한 첫 번째 제품의 설계는 부분적으로만 자동화되었습니다.

이 제품은 미래 디자인에서 표준이 될 몇 가지 기능을 개척했습니다.가장 중요한 것은 칩 전체에 걸쳐 2-3줄 쌍으로 N채널 및 P채널 트랜지스터를 엄격하게 구성하고, 그때까지 표준이었던 최소 커스텀 간격이 아닌 그리드 상에서 모든 인터커넥트를 실행하는 것이었습니다.이 이후의 혁신은 2층 CMOS 어레이의 개발과 함께 완전 자동화의 길을 열어 주었습니다.이러한 첫 번째 부품을 커스터마이즈하는 것은 좋은 소프트웨어 [7]도구가 없기 때문에 다소 지루하고 오류가 발생하기 쉽습니다.IMI는 수동 맞춤 작업을 최소화하기 위해 PC 보드 개발 기술을 활용했습니다.당시 칩은 모든 부품을 손으로 그리고 격자 모양의 Mylar 시트에 상호 연결하여 색연필을 사용하여 각 처리층을 묘사했습니다.그런 다음 루빌리스 시트를 잘라내고 벗겨 프로세스 층을 (일반적으로) 200~400배 크기로 표현했습니다.그 후, 이것을 포토 리덕션 해, 1배의 마스크를 만들었습니다.루빌리스 커팅이 아닌 디지털화가 최신 기술로 도입되었지만 처음에는 루빌리스 단계만 제거했습니다. 도면은 여전히 수동에 의해 "수공"으로 디지털화되었습니다.한편 PC 보드는 커스텀 루빌리스에서 인터커넥트용 PC테이프로 이행했습니다.IMI는 기본 레이어의 크기를 조정하기 위해 포토 확장을 작성했습니다.로직 게이트 접속 스티커와 PC 테이프를 사용하여 이들 게이트를 상호 접속함으로써 비교적 작은 회로에 대해 커스텀 회로를 신속하게 수작업으로 배치하고 기존 기술을 사용하여 광저감할 수 있었습니다.

IMI와 결별한 후 로버트 립은 1978년 버니 아론슨, 브라이언 티히라는 두 명의 조용한 파트너와 함께 California Devices, Inc.(CDI)를 설립했습니다.CDI는 IMI에 비해 경쟁력 있는 제품 라인을 빠르게 개발했고, 곧이어 최대 1,200 게이트의 밀도를 가진 5미크론 실리콘 게이트 단층 제품 라인을 개발했습니다.몇 년 후 CDI는 "채널리스" 게이트 어레이를 도입하여 개별 트랜지스터 접속을 공통 로직 기능에 필요한 위치에 미리 배선하는 보다 복잡한 실리콘 언더레이어로 인한 열 차단을 줄였고, 첫 번째 레벨의 금속 인터커넥트를 단순화했습니다.이것에 의해, 칩 밀도가 40%증가해, 제조 [8]코스트가 큰폭으로 삭감되었습니다.

이노베이션

Timex Sinclair 1000 메인보드 상의 Feranti 2C210E

초기 게이트 어레이는 성능이 낮았고 당시 커스텀 칩에 사용되던 최첨단 n-MOS 기술에 비해 상대적으로 크고 비쌌습니다.CMOS 기술은 성능이 아닌 시계 칩과 배터리 구동식 휴대용 계측기와 같은 초저전력 애플리케이션에 의해 구동되었다.또한 기존의 우세한 논리 기술인 트랜지스터-트랜지스터 논리 패밀리의 성능을 충분히 발휘하지 못했습니다.그러나 특히 저전력, 크기 감소, 휴대용 및 항공우주 애플리케이션뿐만 아니라 시장 투입에 민감한 제품에서도 매우 유용한 틈새 애플리케이션이 많이 있었습니다.성능이 문제가 되지 않는다면 이러한 소형 어레이도 트랜지스터-트랜지스터 로직 게이트로 가득 찬 보드를 대체할 수 있습니다.일반적인 어플리케이션은 기판 상에서 대규모 LSI 회로를 지원하는 다수의 작은 회로를 조합하는 것으로, 애칭 「쓰레기 컬렉션」이라고 불리고 있습니다.또한 개발 비용과 맞춤 툴링이 저렴하여 가장 적은 예산으로 기술을 사용할 수 있었습니다.초기 게이트 어레이는 모뎀과 휴대폰과 같은 나중에 양산되는 다른 제품들을 소개하기 위한 수단뿐만 아니라 1970년대 CB 열풍에 큰 역할을 했다.

1980년대 초까지 게이트 어레이는 틈새 애플리케이션에서 일반 시장으로 이동하기 시작했습니다.기술과 시장의 여러 요소들이 수렴되고 있었다.1981년 IBM이 게이트 어레이로 구성된 CPU를 탑재한 새로운 주력 제품인 3081 메인프레임을 발표하면서 크기와 성능이 향상되었고, 기술은 "핫"해졌으며, 이러한 메인프레임은 소비자 제품인 ZX81에 사용되었으며, 시장에 새로 진입한 업체들은 가시성과 신뢰성을 높였습니다.

1981년 Wilfred Corrigan, Bill O'Meara Rob Walker 및 Mitchell "Mick" Bohn이 LSI [10]Logic을 설립했습니다.당초, 이미터 결합 로직 게이트 어레이를 상용화하는 것이 목적이었지만, 시장이 CMOS로 급속히 이동하고 있는 것을 발견해, CDI의 실리콘 게이트 CMOS 라인을 제2의 소스로서 라이센스 취득했다.이 제품은 5미크론 2층 금속 전용 라인을 개발하면서 시장에서 입지를 굳혔다.이 후자의 제품 라인은 완전 자동화가 가능한 최초의 상용 게이트 어레이 제품이었습니다.LSI는 사용자가 LSI Logic의 시스템에 원격 로그인하여 자체 시설에서 자체 칩을 설계할 수 있는 독점 개발 도구 세트를 개발했습니다.

Sinclair Research는 향상된 ZX80 디자인을 ZX81용 ULA 칩에 이식했으며, 이후 ZX Spectrum에서 ULA를 사용했습니다.호환 칩은 러시아에서 [11]T34VG1로 만들어졌다.Acon Computers는 BBC Micro에서 여러 ULA 칩을 사용하였고, 이후 Acon Electron에서 단일 ULA를 사용했습니다.가정용 컴퓨터 붐 시대의 다른 많은 제조업체들은 그들의 기계에 ULA를 사용했다.IBM PC가 개인용 컴퓨터 시장의 상당 부분을 차지했고, 판매량은 풀 커스텀 칩을 보다 경제적으로 만들었습니다.코모도어의 아미가 시리즈는 코드명이 시사하는 바와 같이 Gary와 Gayle의 커스텀 칩에 게이트 어레이를 사용했습니다.

비용을 절감하고 게이트 어레이 설계 및 생산의 접근성을 높이기 위해 Feranti는 1982년 ULA Designer라고 불리는 Uncommitted Logic Array(ULA) 제품용 컴퓨터 지원 설계 도구를 도입했습니다.이 툴의 구입에는 46,500파운드가 들었지만 설계 프로세스에 [12]Feranti의 서비스를 이용함으로써 발생하는 15,000파운드의 설계 비용과는 달리 설계당 5,000파운드의 비용 절감과 대량으로 칩당 1-2파운드의 제조 비용 절감을 약속했습니다.RSX/11M을 실행하는 PDP-11/23 미니컴퓨터와 그래픽 디스플레이, 키보드, 디지털 보드, 컨트롤 데스크 및 옵션 플로터를 기반으로 한 이 솔루션은 100~10,000 게이트의 게이트 어레이 설계 요구를 충족시키는 것을 목표로 하고 있으며, 설계는 전적으로 조직이 솔루션을 취득하는 것으로부터 시작됩니다.lan"은 게이트 어레이 자체의 로직 레이아웃을 진행하고 로직 검증 및 자동화된 테스트 시스템 구축을 위한 테스트 사양의 정의를 마무리합니다.완성된 설계의 검증은 영국 맨체스터 또는 캘리포니아 서니베일에 있는 "CAD 센터"로 설계가 이전된 후 전화 네트워크를 통해 "외부 전문가"에 의해 수행되었습니다.완성된 설계 시제품 제작에는 약 3~4주가 소요되었습니다.미니컴퓨터 자체는 필요에 [13]따라 실험실 또는 사무실 시스템으로 작동하도록 적응할 수 있었습니다.

Feranti는 1MB의 RAM과 120MB의 Winchester 디스크를 탑재한 VAX-11/730을 기반으로 한 Silicon Design System 제품으로 ULA Designer를 후속으로 출시했으며 500KB의 자체 메모리를 탑재한 고해상도 디스플레이를 사용하여 "고속 윈도우 설정, 도장 및 편집 기능"을 구현했습니다.소프트웨어 자체는 이미 VAX-11/780 시스템을 사용하여 여러 사용자 환경을 제공할 가능성이 있는 조직에서는 별도로 사용할 수 있었지만 하드웨어 및 소프트웨어의 "스탠드 아론 시스템" 패키지는 설계 프로세스에서 보다 저렴한 가격의 솔루션을 제공하기 위한 것입니다.제품 사용에 관련된 도구 세트에는 Feranti의 설명 언어를 사용한 논리 입력 및 테스트 일정 정의, 논리 시뮬레이션, 레이아웃 정의 및 확인, 프로토타입 게이트 어레이용 마스크 생성 등이 포함되어 있습니다.또, Feranti의 자동 라우팅 가능(AR) 어레이의 아키텍처 기능을 활용해, 실리콘 면적이 약 25%증가하는 「100%의 성공 자동 레이아웃 시스템」을 실현하는 등, 완전 자동 라우팅 설계를 서포트하고 있습니다.[14]

다른 영국 회사들은 게이트 어레이 설계와 제조를 위한 제품을 개발했다.Cambridge University의 스핀오프인 Qudos Limited는 VAX 및 MicroVAX II 시스템에 사용할 수 있는 Quickchip이라고 불리는 칩 설계 제품을 완전한 11,000달러 규모의 턴키 솔루션으로 제공했으며 자동 레이아웃, 라우팅, 규칙 확인 및 시뮬레이션 기능을 포함한 Feranti 제품과 거의 유사한 일련의 도구를 제공합니다.게이트 어레이 설계Qudos는 전자빔 [15]리소그래피와 Feranti ULA 장치에 식각 디자인을 채택하여 이러한 커스텀 칩의 물리적 기반을 형성했습니다.일반적인 프로토타입 제작 비용은 [16]칩당 100파운드였습니다.그 후 퀵칩은 아콘 캠브리지 워크스테이션, BBC [17]마이크로용 저가 버전, 아콘 아르키메데스로 [18]이식되었습니다.

대체 수단

간접적인 경쟁은 Field-Programmable Gate Array(FPGA; 필드 프로그래머블 게이트 어레이)의 개발과 함께 일어났습니다.Xilinx는 1984년에 설립되었으며, 첫 번째 제품은 느리고 비싼 초기 게이트 어레이와 매우 비슷했으며, 일부 틈새 시장에만 적합했습니다.그러나 무어의 법칙은 이들을 빠르게 하나의 힘으로 만들었고 1990년대 초에는 게이트 어레이 시장을 심각하게 혼란에 빠뜨렸습니다.

설계자들은 여전히 풀 커스텀 설계 비용 없이 자신만의 복잡한 칩을 만들 수 있는 방법을 원했고, 결국 이 소원은 FPGA뿐만 아니라 복잡한 프로그램 가능 논리 소자(CPLD), 금속 구성 가능 표준 셀(MCSC) 및 구조화된 ASIC가 등장하면서 이루어졌습니다.게이트 어레이는 상호 연결을 저장하고 식각하기 위해 백엔드 반도체 웨이퍼 주조 공장이 필요한 반면, FPGA와 CPLD는 사용자가 프로그래밍할 수 있는 상호 연결을 가지고 있었습니다.오늘날의 접근 방식은 위험이 낮고 기능을 빠르게 검증할 수 있으므로 FPGA에 의해 프로토타입을 만드는 것입니다.소형 장치의 경우 생산 비용이 충분히 낮습니다.그러나 대규모 FPGA의 경우 생산 비용이 매우 많이 들고 전력 소비가 많으며 대부분의 경우 필요한 속도에 도달하지 못합니다.이러한 문제에 대처하기 위해 BaySand, Faraday, Gigoptics 등의 ASIC 회사는 FPGA에서ASIC로의 변환 서비스를 제공하고 있습니다.

사양

시장이 호황을 누리는 동안, 그 산업의 수익은 부족했다.반도체는 1980년대에 호황과 불황의 사이클을 낳았던 일련의 경기 침체를 겪었다.1980년과 1981-1982년의 전반적인 경기 침체는 자본 지출을 억제하는 고금리가 뒤따랐다.이 같은 감소는 당시 설비투자 의존도가 높았던 반도체 사업에 큰 타격을 줬다.제조업체들은 빠르게 움직이는 업계에서 공장 공장을 가득 채우고 지속적인 현대화를 실현하기 위해 필사적으로 노력하고 있으며, 경쟁이 치열해졌습니다.시장에 새로 진입한 많은 업체들은 게이트 어레이 가격을 실리콘 제조사의 한계 비용까지 낮추었습니다.LSI Logic과 CDI와 같은 팹리스 회사들은 [8]생산 수익보다는 설계 서비스와 컴퓨터 시간을 판매하면서 살아남았다.

21세기 초, 게이트 어레이 시장은 비용 또는 성능상의 이유로 이루어진 FPGA 변환에 의해 주도된 이전 시장의 잔재였습니다.IMI는 게이트 어레이에서 혼합 신호 회로로 전환한 후 2001년 사이프레스 세미컨덕터에 인수되었고, CDI는 1989년 문을 닫았으며, LSI 로직은 표준 제품으로 시장을 포기하고 결국 Broadcom에 [19]인수되었다.

설계.

게이트 어레이는 대부분의 트랜지스터가 소정의 기능을 가지지 않는 조립식 실리콘 칩이다.이러한 트랜지스터는 금속층으로 연결되어 표준 NAND 또는 NOR 논리 게이트를 형성할 수 있습니다.그런 다음 이들 논리 게이트를 동일 또는 그 이후의 금속층 상의 완전한 회로에 상호 연결할 수 있습니다.이 최종층 또는 금속 인터커넥트층을 제조공정 후반부에 칩에 추가하여 칩의 기능을 원하는 대로 커스터마이즈함으로써 소정의 기능을 가진 회로를 만들 수 있다.이러한 층은 프린트 기판의 구리 층과 유사합니다.

최초의 게이트 어레이는 보통 고성능 트랜지스터-트랜지스터 로직, 이미터 결합 로직 또는 전류 모드 로직 구성으로 구성된 바이폴라 트랜지스터로 구성되었습니다.CMOS(상보 금속 산화물 반도체) 게이트 어레이가 나중에 개발되어 업계를 지배하게 되었습니다.

웨이퍼에 미완성 칩이 배열된 게이트 어레이 마스터 슬라이스는 일반적으로 고객의 주문에 관계없이 미리 제작되어 대량으로 비축됩니다.개별 고객 사양에 따른 설계 및 제작은 표준 셀 또는 풀 커스텀 설계보다 짧은 시간에 완료할 수 있습니다.게이트 어레이 어프로치를 사용하면 생성되는 커스텀마스크가 적어지기 때문에 비반복 엔지니어링 마스크 비용을 절감할 수 있습니다.또한 제조 테스트 툴링 리드 타임과 비용이 절감됩니다. 동일한 크기의 게이트 어레이 제품에 동일한 테스트 고정 장치를 사용할 수 있습니다.게이트 어레이는 보다 복잡한 구조화 ASIC의 전신입니다.게이트 어레이와 달리 구조화 ASIC에는 사전 정의 또는 구성 가능한 메모리 및/또는 아날로그 블록이 포함되는 경향이 있습니다.

애플리케이션 회로는 게이트, 배선 및 I/O 핀이 충분한 게이트 어레이 위에 구축되어야 합니다.요건은 다양하기 때문에 일반적으로 게이트 어레이는 패밀리로 제공되며, 더 큰 구성원은 모든 리소스를 더 많이 보유하지만 그에 따라 비용이 더 많이 듭니다.설계자는 게이트와 I/O 핀의 수를 쉽게 셀 수 있지만, 같은 양의 로직을 가진 설계에서도 필요한 라우팅 트랙의 수는 크게 다를 수 있습니다(예를 들어 크로스바 스위치는 같은 게이트 수를 가진 수축기 배열보다 훨씬 더 많은 라우팅이 필요합니다).사용되지 않는 라우팅 트랙은 아무런 이점 없이 부품의 비용을 증가시키고 성능을 저하시키므로 게이트 어레이 제조업체는 게이트 및 I/O 핀에 적합한 대부분의 설계를 라우팅할 수 있도록 충분한 트랙만 제공하려고 합니다.이는 렌트 규칙에서 도출된 추정치 또는 기존 설계에 대한 실험에 의해 결정된다.

게이트 어레이의 주요 단점은 ASIC 설계에 대한 다른 접근 방식에 비해 밀도와 성능이 다소 떨어진다는 것입니다.그러나 이 스타일은 종종 적은 생산량에서 실행 가능한 접근법입니다.

사용하다

게이트 어레이는 1980년대 초 싱클레어 ZX81과 싱클레어 스펙트럼, BBC 마이크로와 에이콘 일렉트로닉, 코모도어 아미가 등 영국 가정용 컴퓨터 시장에서 널리 사용되었습니다.

레퍼런스

  1. ^ The 224 Cell Uncommitted Array Family. Ferranti Electronic Components Division. March 1977. p. 1. Retrieved 23 February 2021.
  2. ^ Grierson, J. R. (July 1983). "The Use of Gate Arrays in Telecommunications". British Telecommunications Engineering. 2 (2): 78–80. ISSN 0262-401X. Retrieved 26 February 2021. In the UK, Ferranti, with their bipolar collector diffused isolation (CDI) arrays, pioneered the commercial use of gate arrays and for many years this was by far the most widely used technology.
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외부 링크