Для аппаратуры специального назначения определяющими факторами для использования в ней той или иной электронной компонентной базы (ЭКБ) при всей важности экономических показателей являются высокая надёжность, долговечность, повышенная стойкость к внешним воздействующим факторам, низкое энергопотребление, высокая функциональность, а также сроки разработки и изготовления, длительный период поддержания производства. Кроме этого, для подавляющего большинства аппаратуры специального назначения обязательным условием является применение только отечественной ЭКБ.
Микросхемы можно разделить на два основных класса: микросхемы общего применения и специализированные. К первому классу относятся микропроцессоры, микроконтроллеры, периферийные устройства, микросхемы памяти, серии стандартных микросхем и многие другие. В соответствии с ГОСТ Р 57435 «Микросхемы интегральные. Термины и определения» микросхема общего применения – это микросхема, разработанная для применения в различных видах радиоэлектронной аппаратуры. Объем производства таких микросхем составляет сотни тысяч и миллионы штук в год. Большие объемы выпуска универсальных микросхем минимизируют вклад в их стоимость достаточно больших затрат на проектирование и освоение в производстве.
Специализированными называются микросхемы, учитывающие специфические особенности и требования радиоэлектронной аппаратуры. В соответствии с ГОСТ Р 57435 «Микросхемы интегральные. Термины и определения» специализированная микросхема – это микросхема, разработанная по конкретному заказу или разработанная потребителем для применения в конкретной радиоэлектронной аппаратуре. Объем производства специализированных микросхем, как правило, не превышает нескольких тысяч штук в год, микросхемы выпускаются для удовлетворения нужд отдельных отраслей промышленности для конкретных видов оборудования (часто уникального). Поэтому в отличие от микросхем общего применения значительная часть стоимости специализированных микросхем формируется за счет затрат на их проектирование и освоение в производстве.
Особую группу среди специализированных микросхем занимают большие интегральные схемы (БИС), применяемые в аппаратуре специального назначения и эксплуатируемые в условиях действия жёстких внешних воздействующих факторов (ВВФ). Как правило, номенклатура таких микросхем велика, сроки разработки ограничены, серийность, в силу специфики аппаратуры, не превышает нескольких сотен микросхем, а производство часто имеет прерывистый характер. Поэтому стоимость микросхем определяют не только затраты на проектирование и освоение производства, включая квалификационные испытания, но и затраты на периодические испытания для подтверждения уровня качества выпускаемых микросхем.
Специализированные микросхемы можно разделить на две группы - заказные и полузаказные. Заказные микросхемы разрабатываются либо без учета какой-либо унификации, как полностью заказные, либо с использованием унификации топологии ячеек - проектирование на стандартных ячейках - и обеспечивают как цифровую, так и цифро-аналоговую обработку сигналов (рисунок 1). Для проектирования специализированных цифровых микросхем применяются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и полузаказные микросхемы на базового матричного кристалла (БМК). Для реализации цифро-аналоговой обработки сигналов, как правило, применяются микросхемы на основе базовых (БК) и базовых структурированных кристаллов (БСК). Цветом отмечены те типы микросхем, на разработке и производстве которых специализируется НПК «Технологический центр». На данный момент освоены в производстве и включены в Перечень ЭКБ серии БМК 5503 и 5507, серия БСК 5529.
Принято считать, что полностью заказные микросхемы обеспечивают максимальную функциональность, надёжность и стойкость к ВВФ и минимальную стоимость при массовом производстве. Однако разработка и освоение производства заказных микросхем – это длительный и дорогостоящий процесс. Он вполне оправдан, когда речь идёт о больших тиражах микросхем общего применения. Потребность же в конкретном типе специализированной микросхемы, особенно на этапе создания и вывода нового изделия на рынок, относительно невелика, что несопоставимо с экономически оправданными объемами выпуска заказных микросхем. Поэтому, в большинстве случаев, когда речь идёт о сравнительно небольших партиях микросхем, гораздо более целесообразно использовать полузаказные микросхемы.
ПЛИС, обладая преимуществами при разработке микросхем, в тоже время за счёт наличия дополнительных элементов для программирования их структуры, имеют меньшую надёжность, более высокое энергопотребление и более высокую стоимость.
Полузаказные БИС по показателям надёжности, энергопотребления и стойкости к ВВФ сравнимы с заказными БИС, а по длительности цикла «разработка – изготовление –поставка» сопоставимы с циклом «разработка – поставка – специализация» для ПЛИС.
Дальнейшим развитием направления полузаказных БИС стали микросхемы на основе БСК. Термин базовый структурированный кристалл является относительно новым и стандартизованного определения на данный момент не имеет. В определении БК и БМК фигурирует полупроводниковая пластина, как типовая заготовка для будущей микросхемы, в которой часть слоев (транзисторные структуры) являются типовыми, а часть для изготовления межсоединений разрабатывается и изготавливается под заказ. Поэтому микросхемы на основе БК и БМК называются полузаказными в отличие от заказных микросхем, которые имеют уникальный набор всех топологических слоев.
Конструкция БСК и методология проектирования микросхем на основе БСК объединили в себя все возможности и преимущества БК, БМК и заказных микросхем. В БСК – аналогично БМК – зафиксированы размер кристалла, расположение контактных площадок и других элементов в периферийной области, а также конструкция шин «земли-питания», но в отличии от БМК поле БСК представляет собой регулярную матрицу разрешенных точек привязки функциональных ячеек и сложно-функциональных блоков (СФ-блоков). Если в точки привязки разместить отдельные элементы (транзисторы различных габаритов, резисторы, конденсаторы и др.) – мы получим законченную топологию базовых слоев БК, если разместить базовую ячейку БМК, то получится законченная топология базовых слоев БМК, если разместить стандартные функциональные ячейки и СФ-блоки, мы получим после разводки межсоединений заказную микросхему.
Таким образом базовый структурированный кристалл - это топологическая модель конструкции кристалла микросхемы, определяющая структуру периферийной области, шин «земли-питания», поля точек привязки стандартных ячеек и СФ-блоков, и предназначенная для проектирования конструктивно подобных микросхем.
Если Вам, как разработчику радиоэлектронной аппаратуры, необходимо применить оригинальные схемные решения и по тем или иным причинам они не могут быть реализованы на основе универсальных микросхем, серии БМК 5503, 5507 и серия БСК 5529 обеспечат быструю разработку специализированной микросхемы требуемого уровня сложности и качества по Вашему техническому заданию. Дополнительно следует отметить, что производство БИС поддерживается в течение длительного времени - более 15 лет (в течение всего жизненного цикла специальной аппаратуры), а количество изготавливаемых микросхем может колебаться от единиц до сотен тысяч.
Благодаря указанным преимуществам применение специализированных БИС на основе БМК и БСК в аппаратуре специального назначения часто не имеют альтернативы.