Design und Herstellung von ternären Mikroschaltungen unter Verwendung der üblichen CMOS-Prozesstechnologie

Viele behaupteten, dass sie einen ternären Computer aus diskreten Komponenten bauen, aber einige entwickeln und bestellen gerade ternäre Mikroschaltungen :)



Ich habe 2015 meine erste ternäre Mikroschaltung entwickelt und bestellt (der gleiche Kristall wurde in 3 verschiedenen Größen verpackt - DIP40, DIP28 und SOIC16). Heute war es meine erste und letzte Erfahrung dieser Art, aber es besteht der Wunsch und die Kraft, es erneut zu versuchen - unter Berücksichtigung der gesammelten Erfahrungen und mit Blick auf die tatsächliche Nützlichkeit wie ternäre programmierbare Logik und / oder ternäre Mikrocontroller - etwas, das sofort geschieht könnte verwendet werden.

Und nun darüber, wie ich es tatsächlich gemacht habe und was daraus geworden ist. Mein dreifaches Epos begann Ende 2004, als nedoPC in meinem Forum Fans von Retrocomputern und hausgemachter Elektronik fandDie Diskussionen über ein ausgewogenes ternäres Zahlensystem und die Möglichkeit, darauf basierende neue Computer zu bauen, begannen. Dann begannen die Benutzer des Forums, im Netzwerk nach Materialien zu diesem Thema zu suchen, und viele erfuhren zu ihrer Überraschung, dass ternäre Computer vor langer Zeit entwickelt und sogar in Massenproduktion hergestellt wurden - insbesondere der seit 1959 produzierte ternäre Computer Setun wurde von Nikolai Petrovich Brusentsov und einer Gruppe von Gleichgesinnten entworfen im Rechenzentrum der Moskauer Staatlichen Universität und war im ganzen Land weit verbreitet.

Es ist wichtig zu verstehen, dass wir mit dem ternären Zahlensystem in erster Linie "ausgeglichenes" Tripel (ausgeglichenes ternäres) meinen, wobei drei Zustände -1,0, + 1 verwendet werden (und überhaupt nicht 0,1,2, wie viele vielleicht denken). Und so haben wir im Forum verschiedene Optionen zum Erstellen ternärer Elemente aus verfügbaren Komponenten ausprobiert - wir haben Komparatoren (mit Dioden) ausprobiert :



Bipolartransistoren (mit Zenerdioden):



Optokoppler (mit Transistoren):



und schließlich analoge Schlüssel :



Unterwegs habe ich einige Hybride bekommen - Zum Beispiel Komparatoren, Dioden und CMOS-Schlüssel:



oder Bipolartransistoren, Optokoppler und CMOS-Schlüssel:



(und 2011 habe ich sogar ein Video hochgeladenDer volle Dreifachaddierer, der auf solchen Hybriden aufgebaut ist, funktioniert :)

Aber in Bezug auf Einfachheit (2 Mikroschaltungen, 4 Kondensatoren, ein Kontaktkamm) und Geschwindigkeit (bis zu 2,5 MHz) hat die DG403-Schaltung alle anderen Optionen übertroffen - im November 2010 habe ich TRIMUX erstellt - eine duale ternäre Selektor (Multiplexer / Demultiplexer):



AnschließendHaqreufertigte seine Version dieses Taschentuchs auf oberflächenmontierten Komponenten an und begann, den ternären TRIADOR-Computer darauf aufzubauen (dessen Architektur auch in den Diskussionen im nedoPC- Forum geboren wurde ) - weitere Einzelheiten finden Sie hier .

Also - bis 2015 war ich fest davon überzeugt, dass die Basis der ternären Schaltung der ternäre Selektor sein sollte, auf dem ALLES aufgebaut werden kann. Um jedoch etwas weniger Nützliches zu erhalten, benötigen Sie Hunderte von ternären Selektoren. Ich wollte nicht Hunderte von Trimussen löten, aber ich wollte meine eigene ternäre Mikroschaltung herstellen - aber wie? FPGA ist keine Methode - alles ist im Inneren binär (ein ternäres Signal mit einem Paar Binär zu präsentieren ist langweilig und uninteressant). Wenn Sie einen echten Chip herstellen, steht nur die übliche CMOS-Prozesstechnologie zur Verfügung, mit der in den letzten Jahrzehnten fast alles getan wurde (nur die Größe der Transistoren ändert sich - sie werden immer kleiner): Der



Kauf eines kommerziellen Chipentwicklungsprodukts war unrealistisch (sehr teuer), also ich Magic VLSI Open Source-Paket gefunden(Es gibt Assemblys für Linux und Windows), zu denen es Regeldateien gibt, zum Beispiel gemäß der CMOS 0.5um-Prozesstechnologie, auf der zu dieser Zeit das amerikanische Unternehmen MOSIS , das an der University of Southern California arbeitet , Aufträge entgegennahm , und ich konzentrierte mich darauf und gründete ein offizielles Geschäft in den USA da MOSIS funktioniert nicht mit Einzelpersonen (tatsächlich habe ich immer noch versucht, zu einer europäischen Firma zu gehen, die auch verschiedene Designs auf einem Siliziumwafer sammelt, aber am Ende haben sie sich geweigert, mit mir zu arbeiten).

Für Experimente habe ich zuerst den kostenlosen Simulator LTspiceIV genommen (dies ist ein Windows-Programm, das unter Linux unter Wine hervorragend funktioniert). Und ich fing an, dort die üblichen (binären) CMOS-Schaltungen zu bauen und sie an SPICE-Modellen von echten PMOS- und NMOS-Transistoren zu testen (solche Modelle laufen im Internet und sind oft in Online-Handbüchern zu VLSI-Kursen amerikanischer Universitäten zu finden):





Ich bemerkte, dass in Abhängig davon, wie die Eingänge des Logikgatters verbunden sind, wird die Schwelle für seinen Betrieb verschoben:



Es stellt sich heraus, dass Sie, wenn Sie NAND-Blöcke mit 3 Eingängen (für die sich die Antwortschwelle nach rechts verschieben könnte) und NOR-Blöcke mit 3 Eingängen (für die sich die Antwortschwelle nach links verschieben könnte) nehmen und deren Eingänge auf bestimmte Weise mit Masse oder Strom verbinden, die Operationsschwellen voneinander trennen können so dass eine Zwischenspannung am Eingang zu erkennen - nach einem regulären Logiksignal zu empfangen, können wir es senden (und seine Inversion) zu einem CMOS - Schlüssel, der an oder aus dem analogen Signal geht durch sie (und diese Taste funktioniert in beiden Richtungen) drehen kann:



Als Ergebnis Ich habe eine solche Schaltung, die mehrere Triggerschwellen hat:



Diese Schaltung hat einen Steuereingang S, der, wenn er mit Masse verbunden ist, eine Zwischenspannung oder Leistung das gemeinsame Signal C mit den Kontakten N (negativ), O (dazwischen) bzw. P (positiv) verbindet - in diesem Fall betrachten wir die Zwischenspannung als Signal Null Die Masse der Mikroschaltung beträgt -2,5 V und die Leistung + 2,5 V. Im Verlauf des Arbeitsbereichs gibt es 2 Löcher, die einen zufälligen Kurzschluss unmöglich machen, wenn benachbarte Schlüssel gleichzeitig mit der Aktivierung der aktiven Zonen plötzlich eingeschaltet werden (schließlich können die Eingänge des ternären Wahlschalters mit Masse oder direkt mit der Stromversorgung verbunden werden), weil Diese Grenzen werden durch „Löcher“ gezogen:



Verwenden Sie wunderbare Magic-Video-Tutorials ( hier und hier)) Ich habe angefangen, Transistoren zu zeichnen - damit die Antwortschwelle genau in der Mitte liegt, sollte die Größe des oberen Transistors (PMOS) etwa doppelt so groß sein wie die des unteren Transistors (NMOS): Mit



Magic können Sie die gezeichneten Transistoren in der Bibliothek speichern und dann komplexere Schaltungen aus den gespeicherten Bibliothekskomponenten erstellen. Verbinden der Blöcke mit Metallisierungsschichten (von denen es in diesem Prozess 3 gab):



Mit den Prozessregeln können Sie das gesamte SPICE-Modell der gesamten Schaltung herausziehen und dieses Modell kann dann in ngspice simuliert werden (Open-Source-SPICE-Simulator, der beispielsweise in Standard-Debian-Linux-Paketen vorhanden ist).

Während der Arbeit an meiner Bibliothek gelang es mir, eine interessierte Gruppe von Menschen zu finden, die aus Bürgern verschiedener Länder bestand und sich bereit erklärte, die Hälfte der Produktion (das Mindestlos beträgt 40 Kristalle) als Gegenleistung für Hilfe bei einigen ternären und quaternären Schemata zu zahlen. Infolgedessen war die obere Hälfte des Kristalls von einigen besetzt Ich habe wahrscheinlich kein Recht, über Dinge zu sprechen, und das untere hatte ein Modul zum selektiven Testen von 16 Grundschaltungen (links) und des ternären Selektors selbst (rechts):



Insgesamt hatte dieses Design ungefähr 1.500 Transistoren auf einem 2,2 x 2,2 mm großen Chip mit 40 Pads (10 auf jeder Seite) mit einer Größe von 100 x 100 um, und alle Transistoren, Pads und Signale wurden von mir von Grund auf manuell lackiert, und ich natürlich. Ich habe die Gelegenheit nicht verpasst, meinen Spitznamen unter demselben ternären Selektor, der das Jahr angibt, auf den Kristall zu schreiben :)



Es ist immer schön, Ihren eigenen Namen unter dem „kleinen Zielfernrohr“ zu sehen, sich als Lefty vorzustellen und einen Floh zu beschlagen;)



Nachdem ich das Design im Juni 2015 der Produktion übergeben hatte, bekam ich fertiges Silikon Kristalle und 8 Chips in DIP40 erst im Oktober verpackt:



Nachdem ich sichergestellt hatte, dass die Mikroschaltung als Ganzes funktioniert, fügte ich die verbleibenden Siliziumkristalle (die sie zurückschickten) zu den DIP28- (um den Kindern einen Teil davon zu geben) und SOIC16-Fällen hinzu, in denen nur die Signale des ternären Selektors hervorstechen (es kostete mehrere tausend mehr):



Für detaillierte Tests habe ich Ich bestellte einen Schal für diese Soics und löte dort einen der Mikrokreise:



und brachte die Oszillogramme mit einem digitalen Oszilloskop-Präfix zum Computer - den im ternären Puffermodus angeschlossenen Selektor:



und im ternären Wechselrichtermodus:



Hier betrug die Leistung -5V ... + 5V (etwas mehr als die normale Spannung) 5 V zwischen Masse und der für CMOS (0,5 um empfohlenen Stromversorgung) und es ist ersichtlich, dass sich die Schwellenwerte des Slang verschoben haben, aber insgesamt ist die durchschnittliche Spannung vollständig bestimmt. Das einzige Problem mit diesen Chips istSie arbeiten nur bei Frequenzen bis zu 10 kHz :(

Meine Annahme über die schlechten dynamischen Eigenschaften dieser Mikroschaltungen ist, dass ich versucht habe, die besonderen Anforderungen des Herstellers unabhängig zu erfüllen - sie forderten, dass alle freien Stellen auf dem Chip mit Blöcken mit Metallschichten usw. gefüllt werden. Da ihre Abwesenheit beim Ätzen durch benachbarte Designs auf derselben Platte beschädigt werden kann, musste ich meinen eigenen Blockfüller erfinden,



der alle freien Stellen auf dem Kristall ausfüllte:



Und es scheint, als hätte ich vergessen, es mit dem Boden zu verbinden. Infolgedessen hingen Haufen parasitärer Kapazitäten, die alle hohen Frequenzen fraßen, am Kristall. Das nächste Mal werde ich versuchen, diesen Fehler zu vermeiden, oder ich nehme ein kommerzielles Produkt zur Arbeit und verwende seine Bibliotheken, da mein Selektor aus STANDARD-Binärkomponenten bestehen kann, während ich mit ternären Signalen arbeite. Es kann möglich sein, wieder eine interessierte Gruppe von Personen zu finden, die sich bereit erklären würden, die Kosten für die nächste Charge zu teilen (zum Beispiel kostet ein Chip aus der letzten Charge ungefähr dreihundert Dollar zum Selbstkostenpreis). Ich freue mich auf Meinungen und Kommentare von angesehenen Khabroviten :)