Diseño y fabricación de microcircuitos ternarios utilizando la tecnología de proceso CMOS habitual.

Muchos afirmaron que construyen una computadora ternaria a partir de componentes discretos, pero algunos están desarrollando y ordenando microcircuitos ternarios en este momento :)



Desarrollé y pedí mi primer microcircuito ternario (el mismo cristal se empacó en 3 tamaños diferentes: DIP40, DIP28 y SOIC16) en 2015. Hoy fue mi primera y última experiencia de este tipo, pero existe el deseo y la fuerza de volver a intentarlo, teniendo en cuenta la experiencia adquirida y teniendo en cuenta la utilidad real, como la lógica programable ternaria y / o el microcontrolador ternario, algo que inmediatamente puede ser usado.

Y ahora sobre cómo lo hice y qué salió de eso. Mi triple epopeya comenzó a fines de 2004, cuando nedoPC en mi foro de fanáticos de las retrocomputadoras y la electrónica caseraLas discusiones comenzaron sobre un sistema de números ternarios equilibrado y la posibilidad de construir nuevas computadoras basadas en él. Luego, los usuarios del foro comenzaron a buscar materiales sobre este tema en la red y muchos, para su sorpresa, supieron que las computadoras ternarias se desarrollaron hace mucho tiempo e incluso se produjeron en masa, en particular, la computadora ternaria Setun, que se produjo desde 1959, fue diseñada por Nikolai Petrovich Brusentsov y un grupo de personas de ideas afines. en el centro de computación de la Universidad Estatal de Moscú y estaba bastante extendido en todo el país.

Es importante entender que por el sistema de números ternarios queremos decir principalmente triple (balanceado) ternario, donde se usan tres estados -1.0, + 1 (y en absoluto 0.1.2 como muchos podrían pensar). Entonces, en el foro, comenzamos a probar varias opciones para construir elementos ternarios a partir de componentes disponibles: probamos comparadores (con diodos):



transistores bipolares (con diodos zener):



optoacopladores (con transistores):



y finalmente teclas analógicas :



en el camino obtuve algunos híbridos - por ejemplo, comparadores, diodos y teclas CMOS:



o transistores bipolares, optoacopladores y teclas CMOS:



(y en 2011 incluso subí un videoel sumador triple completo construido sobre tales híbridos funciona :)

Pero en términos de simplicidad (2 microcircuitos, 4 condensadores, un peine de contactos) y velocidad (hasta 2.5 MHz), el circuito DG403 superó todas las demás opciones: en noviembre de 2010 creé TRIMUX, un doble ternario selector (multiplexor / demultiplexor):



posteriormentehaqreuhizo su versión de este pañuelo en componentes montados en la superficie y comenzó a construir la computadora ternaria TRIADOR en ellos (la arquitectura de la cual también nació en las discusiones en el foro nedoPC ) - para más detalles, vea aquí .

Entonces, para 2015, tenía la firme convicción de que la base del circuito ternario debería ser el selector ternario sobre el que construir TODO. Pero para obtener algo menos útil, necesita cientos de selectores ternarios. No quería soldar cientos de recortes, pero quería hacer mi propio microcircuito ternario, pero ¿cómo? FPGA no es un método: todo es binario en su interior (presentar una señal ternaria con un par de binarios es aburrido y poco interesante). Si crea un chip real, solo está disponible la tecnología de proceso CMOS habitual en la que se ha hecho casi todo en las últimas décadas (solo cambian los tamaños de los transistores; se vuelven cada vez más pequeños):



comprar un producto de desarrollo de chips comercial no era realista (muy costoso), por lo que Paquete de código abierto Magic VLSI encontrado(hay ensamblajes para Linux y Windows), para los cuales hay archivos de reglas, por ejemplo, de acuerdo con la tecnología de proceso CMOS 0.5um, en la que en ese momento la compañía estadounidense MOSIS , que trabajaba en la Universidad del Sur de California, estaba tomando pedidos , y me concentré en ellos, creando un negocio oficial en los EE. UU. porque MOSIS no funciona con individuos (de hecho, todavía intenté ir a una compañía europea, que también recopila diferentes diseños en una oblea de silicio, pero al final se negaron a trabajar conmigo).

Para los experimentos, primero tomé el simulador gratuito LTspiceIV (este es un programa de Windows que funciona muy bien en Linux desde Wine). Y comencé a construir allí los circuitos CMOS (binarios) habituales y a probarlos en modelos SPICE de transistores PMOS y NMOS reales (tales modelos caminan en Internet y a menudo se pueden encontrar en manuales en línea en cursos VLSI de universidades estadounidenses):





me di cuenta de que en Dependiendo de cómo estén conectadas las entradas de la puerta lógica, el umbral para su funcionamiento se modifica:



Resulta que si toma bloques NAND de 3 entradas (para los cuales el umbral de respuesta podría moverse hacia la derecha) y bloques NOR de 3 entradas (para los cuales el umbral de respuesta podría moverse hacia la izquierda) y de alguna manera conecta sus entradas a tierra o energía, puede espaciar los umbrales de operación para detectar un voltaje intermedio en la entrada, después de recibir una señal lógica regular, podemos enviarla (y su inversión) a una tecla CMOS que puede encender o apagar la señal analógica que la atraviesa (y esta tecla funciona en ambos sentidos):



Como resultado, Obtuve dicho circuito, que tiene varios umbrales de activación:



Este circuito tiene una entrada de control S, que, cuando se conecta a tierra, una tensión o potencia intermedia, conecta la señal común C a los contactos N (negativo), O (intermedio) o P (positivo), respectivamente, en este caso consideramos el voltaje intermedio como una señal cero , respectivamente, la tierra del microcircuito es -2.5V, y la potencia es + 2.5V. En el curso del área de trabajo, hay 2 agujeros que hacen imposible un cortocircuito aleatorio si las teclas vecinas se encienden repentinamente al mismo tiempo que se activan las zonas activas (después de todo, las entradas del selector ternario se pueden conectar a tierra o directamente a la fuente de alimentación) porque estos límites están formados por “agujeros”:



usando maravillosos videos de tutoriales de Magic ( aquí y aquí) Comencé a dibujar transistores: para que el umbral de respuesta esté exactamente en el medio, el tamaño del transistor superior (PMOS) debe ser aproximadamente 2 veces el tamaño del transistor inferior (NMOS):



Magic le permite guardar el dibujo en la biblioteca y luego le permite crear circuitos más complejos a partir de los componentes de la biblioteca guardada, conectando los bloques con capas de metalización (de las cuales hubo 3 en este proceso): las



reglas del proceso le permiten extraer todo el modelo SPICE de todo el circuito y luego este modelo puede simularse en ngspice (simulador SPICE de código abierto, presente por ejemplo entre los paquetes estándar de Debian Linux).

En el proceso de trabajar en mi biblioteca, logré encontrar un grupo interesado de personas, compuesto por ciudadanos de diferentes estados, que acordaron pagar la mitad de la producción (el lote mínimo es de 40 cristales) a cambio de ayuda con algunos esquemas ternarios y cuaternarios, como resultado, la mitad superior del cristal estaba ocupada por algunos Probablemente no tengo derecho a hablar de cosas, y el inferior tenía un módulo para pruebas selectivas de 16 circuitos básicos (a la izquierda) y el selector ternario en sí (a la derecha):



En total, este diseño tenía aproximadamente 1,500 transistores ubicados en un chip de 2.2x2.2 mm con 40 almohadillas (10 en cada lado) de 100x100um de tamaño, y todos los transistores, almohadillas y señales fueron pintados manualmente por mí y, por supuesto, No perdí la oportunidad de escribir mi apodo en el cristal debajo del mismo selector ternario que indica el año :)



Siempre es agradable ver tu propio nombre bajo el "pequeño alcance", presentándote como un zurdo, calzando una pulga;)



Tras entregar el diseño a la producción en junio de 2015, obtuve silicio listo para usar cristales y 8 chips empacados en DIP40 solo en octubre:



Después de asegurarme de que el microcircuito funciona como un todo, agregué los cristales de silicio restantes (enviándolos de vuelta) al DIP28 (para darles a los niños parte de ellos) y los casos SOIC16 donde solo sobresalen las señales del selector ternario (costó varios miles más):



para pruebas detalladas, I Pedí un pañuelo para estos soics, soldando uno de los microcircuitos allí:



y llevé los oscilogramas con un prefijo de osciloscopio digital a la computadora, el selector conectado en el modo de amortiguador ternario:



y en el modo de inversor ternario:



aquí la potencia era -5 V ... + 5 V (un poco más de voltaje normal) 5V entre el suelo y la fuente de alimentación recomendada para CMOS 0.5um) y se puede ver que los umbrales de la jerga se han alejado, pero en general el voltaje promedio está completamente determinado. El único problema con estos chips esfuncionan solo a frecuencias de hasta 10 kHz :(

Mi suposición sobre las pobres características dinámicas de estos microcircuitos es que traté de cumplir de manera independiente los requisitos especiales del fabricante: exigían que todos los lugares libres en el chip se llenaran con bloques con capas de metal, etc. dado que su ausencia puede dañarse cuando se graban los diseños vecinos ubicados en la misma placa, como resultado tuve que inventar mi propio relleno de bloque:



que llenaba todos los puntos libres en el cristal:



Y parece que olvidé conectarlo a la tierra como resultado, pilas de condensadores extraviados colgaron en el cristal, consumiendo todas las frecuencias altas. La próxima vez intentaré evitar este error, o tal vez tomaré un producto comercial para trabajar y usaré sus bibliotecas, porque mi selector puede estar compuesto de componentes binarios ESTÁNDAR mientras trabajo con señales ternarias. Es posible encontrar nuevamente un grupo de personas interesadas que acepten compartir el costo del próximo lote (por ejemplo, un chip del último lote costará alrededor de trescientos dólares al costo). Espero con interés las opiniones y comentarios de respetados Khabrovites :)