В истории полупроводниковой индустрии 40-е годы тесно связаны с изобретением транзистора, 50-е - с разработкой интегральной микросхемы, 70-е - с появлением первого микропроцессора. Начало следующего тысячелетия, возможно, будет впоследствии ассоциироваться с широким внедрением систем, выполненных на одном кристалле - СОК (SOK, System-On-Chip). По сути дела, в одной микросхеме будет заключаться целый компьютер.
С середины 90-х годов ряд крупнейших компаний вели активную работу по созданию СОК первого поколения. Так, в 1994 г. корпорация Motorola (www.motorola.com) анонсировала систему FlexCore для разработки устройств на базе микропроцессора 68000. Год спустя компания LSI Logic создала СОК, содержащую микропроцессор MIP, память и специальную логику управления. В дальнейшем данная СОК использовалась в миллионах игровых приставок Sony Playstation. В 1996 г. корпорация IBM (www.ibm.com) разработала заказную СБИС (ASIC) СОК, в которой были объединены микропроцессор PowerPC 401, память типа SRAM, высокоскоростной аналоговый интерфейс и специальная логика.
Микросхема с медными межсоединениями
В конце 1998 г. корпорация Toshiba America Electronic Components (www.toshiba.com/taec/) анонсировала заказную СБИС dRAMASIC, выполненную с соблюдением технологических норм 0,25 мкм. dRAMASIC была спроектирована для контроллера PW364 ImageProcessor корпорации Pixelworks, предназначенного для ЖК-мониторов и проекторов, а также плазменных дисплеев.
Буквально два года назад СОК определяли как интегральную схему, в простейшем случае содержащую универсальное устройство вычисления, память и логические блоки. Сегодня понятие СОК существенно расширилось. Развитие телекоммуникационных приложений заставляет говорить о добавлении интерфейсных схем Ethernet, Sonet, Serges и USB. Для пользователя немаловажным оказывается наличие преобразователей MPEG, Firewire, NTSC/PAL и видеоЦАП. Обработка данных тесно связана ныне с технологиями AGP 4x, ALDC, XVGA, PCI и Rambus. Беспроводные приложения требуют радиочастотных компонентов и цифровых сигнальных процессоров.
Список необходимых устройств постоянно расширяется, что не позволяет вести эффективные работы в области создания СОК силами одной компании. Именно поэтому на рынке сейчас работает ряд фирм, которые выдают лицензии на свою интеллектуальную собственность IP (Intellectual Property) в области разработок отдельных направлений третьим фирмам. В числе таких IP-компаний можно назвать Advanced RISC Machines, Rambus Corporation, Virtual Chips и Inventra.
Технологический прорыв
Результаты исследований корпорации Electronic Trend Publication говорят о том, что рынок СОК стремительно растет и к 2003 г. составит 17,2% от общего производства кристаллов, что будет оцениваться суммой в 34 млрд. долл.
Большинство экспертов сходятся во мнении, что основной технологический прорыв в области СОК удалось сделать корпорации IBM, которая на рубеже 1998 - 1999 гг. смогла реализовать сравнительно недорогой процесс объединения на одном кристалле логической части микропроцессора и оперативной памяти. В новой технологии, в частности, используется так называемая конструкция памяти с врезанными ячейками (trench cell). В этом случае конденсатор, хранящий заряд, помещается в некое углубление в кремниевом кристалле. Это позволяет разместить на нем свыше 24 тыс. элементов, что почти в 8 раз больше, чем на обычном микропроцессоре, и в 2 - 4 раза больше, чем в микросхемах памяти для ПК. Следует отметить, что хотя кристаллы, объединяющие логические схемы и память на одном кристалле, выпускались и ранее, например, такими фирмами, как Toshiba, Siemens AG и Mitsubishi, подход, предложенный IBM, выгодно отличается по стоимости. Причем ее снижение никоим образом не сказывается на производительности.
Использование новой технологии открывает широкую перспективу для создания более мощных и миниатюрных микропроцессоров и помогает создавать компактные, быстродействующие и недорогие электронные устройства: маршрутизаторы, компьютеры, контроллеры жестких дисков, сотовые телефоны, игровые и Интернет-приставки.
“Медный век” микросхем
Для создания СОК IBM использует самые современные технологические решения, одним из которых являются медные межсоединения (copper interconnect). Первым микропроцессором IBM с медными межсоединениями в 1998 г. стал PowerPC 750.
Вообще говоря, по сравнению с технологией, где межсоединения выполнены на основе алюминия, медь позволяет сделать кристалл меньшим по размеру и более быстродействующим. Медная металлизация уменьшает общее сопротивление, что позволяет увеличить скорость работы кристалла на 15 - 20%. Обычно эта технология дополняется еще одной новинкой - технологией “Кремний на изоляторе” - КНИ (SOI, Silicon On Insulator). Она уменьшает паразитные емкости, возникающие между элементами микросхемы и подложкой. Благодаря этому тактовую частоту работы транзисторов также можно увеличить. Возрастание скорости от использования КНИ планируется на уровне 20 - 30%. Таким образом, общий рост производительности в идеальном случае может достигнуть 50%. В настоящее время увеличение стоимости процесса производства при использовании КНИ не превышает 10%, хотя буквально пару лет назад цены на КНИ-пластину и обычную восьмидюймовую кремниевую пластину различались чуть ли не на порядок.
Как показали результаты опроса, проведенного летом этого года аналитической фирмой Philips Analytical, более 60% респондентов полагают, что внедрение технологии медных межсоединений позволит увеличить выпуск кристаллов в 2001 - 2002 гг. не менее чем на 10%. Причем большинство опрошенных связывают новую технологию с проектными нормами 0,18; 0,13 и 0,1 мкм.
Ассоциация полупроводниковой промышленности SIA (Semiconductor Industry Association) утвердила новый сетевой график развития индустрии. В частности, из него исключены проектные нормы 0,15 мкм для производства полупроводниковых микросхем. В 2002 г. стандартными нормами станут 0,13 мкм, в 2005 г. - 0,1 мкм, в 2008 г. - 0,07 мкм и в 2014 г. - 0,035 мкм. Последние цифры, в частности, означают, что при производстве терабитных микросхем на 1 кв. см будет расположено до 390 млн. транзисторов.
На новой фабрике Fab30 в Дрездене корпорация AMD (www.amd.com) готовится начать во второй половине следующего года производство микросхем Athlon c медными межсоединениями, работающих на тактовой частоте 1 ГГц. По сообщению официальных лиц корпорации, уже сейчас Athlon c медными межсоединениями легко разгоняется до частоты 900 МГц. По имеющейся информации, технология медных межсоединений для микропроцессоров Athlon базируется на аналогичном производственном процессе корпорации Motorola. Это стало возможным благодаря подписанию кросс-лицензионного соглашения между этими компаниями.
Intel (www.intel.com) по поводу внедрения технологии медных межсоединений имеет собственное мнение и собирается заменить алюминий на медь не раньше второй половины 2001 г., когда заводы корпорации начнут работать с соблюдением проектных норм 0,13 мкм.
IBM производит мощные микропроцессоры Alpha для Compaq Computer (www.compaq.com). Дело в том, что крупнейший производитель этих микросхем корпорация Samsung Electronics (www.samsungelectronics.com) планирует осуществить переход на технологии КНИ и медных межсоединений для Alpha только в следующем году. Именно тогда будет достигнута тактовая частота выше 1 ГГц. Но бизнес не ждет, а IBM готова предоставить свои производственные мощности уже сейчас.
Для нового портативного компьютера iBook корпорация IBM снабжает Apple специальными 32-разрядными микросхемами PowerPC 300 МГц с низким энергопотреблением, созданными на базе микропроцессора PowerPC 750, использующего медные межсоединения.
На микропроцессорном форуме, прошедшем в Сан-Хосе (шт. Калифорния), IBM приоткрыла свои планы по созданию нового 64-разрядного микропроцессора Power4 (ранее называвшегося Pulsar), в котором найдут применение самые перспективные технологии. На одном кристалле Power4, содержащем 170 млн. транзисторов, будут интегрированы два полноценных микропроцессора, работающих на тактовой частоте 1 ГГц, и кэш-память. 64-разрядный кристалл станет “сердцем” серверов IBM, появление которых ожидается во второй половине 2001 г., и прежде всего усовершенствованных моделей компьютеров типа AS/400 и RS/6000.
Как и его предшественник Power3, новый микропроцессор будет оснащен двумя блоками вычислений с плавающей запятой (или четырьмя на кристалл). Напряжение питания составит 1,5 В.
При производстве микросхем предусмотрено соблюдать проектные нормы 0,18 мкм и использовать семь слоев медных межсоединений. Размер многопроцессорного модуля Power4, объединяющего в себе восемь кристаллов, будет не больше средней ладони. Высокая производительность новой микросхемы обеспечивается тремя уровнями кэш-памяти, причем скорость обмена между ядром и кэшем второго уровня превысит 100 Гб/с. Передача данных между кристаллами будет происходить на частоте 500 МГц, что позволит увеличить полосу пропускания Power4 до 35 Гб/с. Напомним, что шина Power3 работает на тактовой частоте 250 МГц. Новая микросхема станет основой 32-потоковых систем, для построения которых потребуется всего 16 Power4.
Напомним, что в сентябре IBM объявила о том, что ею продано уже более 1 млн. микропроцессоров PowerPC с медными межсоединениями. Примерно в то же время в рамках программы создания СОК был анонсирован PowerPC 440, работающий на тактовой частоте 550 МГц и предназначенный для встраивания в коммутаторы, маршрутизаторы и концентраторы. Первые образцы должны появиться в продаже во II квартале следующего года. PowerPC 440 может выполнять до миллиона операций в секунду. При его производстве соблюдаются технологические нормы 0,18 мкм. Одной из изюминок архитектуры новой микросхемы станет 128-разрядная шина CoreConnect. Впервые заявленная в июле, эта шина имела разрядность 32 и 64 бита. Увеличение количества разрядов, по мнению разработчиков, должно снять ряд конструкторских барьеров между СОК ASIC и традиционными микросхемами.
О популярности новой шины говорит хотя бы тот факт, что IBM уже подписала более 15 лицензионных соглашений с такими известными компаниями, как Analog Devices, Cadence Design Systems, CAE Plus, Mentor Graphics, Stellar Semiconductor, Enabling Technologies и т. д.
“Трудная” память
Вообще говоря, в СОК количество типов памяти доминирует над другими компонентами. Например, здесь обычно присутствуют буферы типа FIFO, кэш-память на базе SRAM, динамическая память (DRAM), постоянная память (ROM), флэш-память и т. п. Именно поэтому все фирмы-разработчики очень большое внимание уделяют проблемам встраивания в кристалл памяти.
Например, летом появилось сообщение о том, что компания Rohm (www.rohm.com), производящая ферроэлектрическую память FRAM, собирается начать работы по ее интеграции в СОК. Отметим, что Rohm с 1996 г. успешно работает на рынке радиочастотных идентификационных карточек (RF-ID cards), которые, в частности, используются как теги для авиабагажа.
По мнению специалистов, повышение полосы пропускания между устройствами и памятью приведет к шквалу конфликтных обращений. Другой проблемой станет увеличение числа линий ввода-вывода. Так, собственные концепции по этому поводу имеются у некоторых ведущих разработчиков, например у корпораций NEC и Hitachi. В частности, NEC предложила для производителей ASIC гибкую структуру блока динамической памяти, состоящего из восьми блоков по 8 Мбит. Каждый блок в свою очередь состоит из восьми одномегабитных модулей, делящихся на массивы 8х16 из 8-килобитных микроячеек. Одна микроячейка может читать и записывать 32-разрядные данные одновременно, разделяя линии ввода-вывода с другой микроячейкой. 64-мегабитная макроячейка допускает 1024-разрядный ввод-вывод. В таком случае при тактовой частоте 100 МГц максимальная пропускная способность достигает 12,8 Гб, а среднее время доступа - 7,7 нс.
