Projeto e fabricação de microcircuitos ternários usando a tecnologia de processo CMOS usual

Muitos afirmaram que constroem um computador ternário a partir de componentes discretos, mas alguns estão desenvolvendo e encomendando microcircuitos ternários agora :)



Desenvolvi e encomendei meu primeiro microcircuito ternário (o mesmo cristal foi embalado em 3 tamanhos diferentes - DIP40, DIP28 e SOIC16) em 2015. Hoje foi minha primeira e última experiência desse tipo, mas há um desejo e força para tentar novamente - levando em conta a experiência adquirida e com um olho na utilidade real, como lógica programável ternária e / ou microcontrolador ternário - algo que imediatamente poderia ser usado.

E agora, sobre como, na verdade, eu fiz e o que aconteceu. Meu épico triplo começou no final de 2004, quando o nedoPC no meu fórum de retrocomputadores e amantes de eletrônicos caseiroscomeçaram as discussões sobre um sistema de números ternário equilibrado e a possibilidade de construir novos computadores baseados nele. Então os usuários do fórum começaram a procurar materiais sobre esse tópico na rede e muitos, para sua surpresa, descobriram que os computadores ternários foram desenvolvidos há muito tempo e até foram produzidos em massa - em particular, o computador ternário Setun, produzido desde 1959, foi projetado por Nikolai Petrovich Brusentsov e um grupo de pessoas afins. no centro de computação da Universidade Estadual de Moscou e era bastante difundido em todo o país.

É importante entender que, pelo sistema de números ternários, queremos dizer primariamente triplo “balanceado” (ternário balanceado), onde três estados -1,0, + 1 são usados ​​(e nem todos 0,1,2 como muitos podem pensar). Então, no fórum, começamos a tentar várias opções para criar elementos ternários a partir dos componentes disponíveis - tentamos comparadores (com diodos):



transistores bipolares (com diodos zener):



acopladores ópticos (com transistores):



e finalmente chaves analógicas :



ao longo do caminho, consegui alguns híbridos - por exemplo, comparadores, diodos e chaves CMOS:



ou transistores bipolares, acopladores ópticos e chaves CMOS:



(e em 2011 eu até enviei um vídeoo somador triplo completo construído com esses híbridos funciona :)

Mas em termos de simplicidade (2 microcircuitos, 4 capacitores, um pente de contatos) e velocidade (até 2,5 MHz), o circuito DG403 excedeu todas as outras opções - em novembro de 2010 eu criei o TRIMUX - um ternário duplo seletor (multiplexador / desmultiplexador):



Posteriormentehaqreufez sua versão deste lenço em componentes montados na superfície e começou a construir o computador ternário do TRIADOR neles (cuja arquitetura também nasceu nas discussões no fórum do nedoPC ) - para mais detalhes, veja aqui .

Então - até 2015, eu tinha uma forte convicção de que o seletor ternário, no qual TUDO pode ser construído, deveria se tornar a base dos circuitos ternários. Mas, para obter algo menos útil, você precisa de centenas de seletores ternários. Eu não queria soldar centenas de trimuses, mas queria fazer meu próprio microcircuito ternário - mas como? FPGA não é um método - tudo é binário por dentro (apresentar um sinal ternário com um par de binário é chato e desinteressante). Se você cria um chip de verdade, apenas a tecnologia de processo CMOS usual está disponível, na qual quase tudo foi feito nas últimas décadas (apenas os tamanhos dos transistores mudam - eles se tornam cada vez menores): a



compra de um produto comercial de desenvolvimento de chips era irrealista (muito caro), então eu Pacote de código-fonte aberto Magic VLSI encontrado(existem assemblies para Linux e Windows), para os quais existem arquivos de regras, por exemplo, de acordo com a tecnologia de processo CMOS 0.5um, na qual a empresa americana MOSIS , que trabalha na Universidade do Sul da Califórnia, estava recebendo pedidos , e eu me concentrei neles, criando um negócio oficial nos EUA Porque O MOSIS não funciona com indivíduos particulares (na verdade, eu ainda tentei ir para uma empresa européia, que também coleta desenhos diferentes em uma pastilha de silício, mas no final eles se recusaram a trabalhar comigo).

Para experimentos, peguei o simulador gratuito LTspiceIV (este é um programa do Windows que funciona muito bem no Linux no Wine). E comecei a construir circuitos CMOS comuns (binários) lá e testá-los nos modelos SPICE de transistores PMOS e NMOS reais (esses modelos vão para a Internet e podem ser encontrados em manuais on-line em cursos VLSI de universidades americanas):





notei que em dependendo de como as entradas da porta lógica estiverem conectadas, o limite para sua operação é alterado:



Acontece que, se você usar blocos NAND de 3 entradas (para os quais o limiar de resposta pode mudar para a direita) e blocos NOR de 3 entradas (para os quais o limiar de resposta pode mudar para a esquerda) e de certa maneira conectar suas entradas ao terra ou à energia, poderá obter os limites de operação espaçados de modo que para detectar uma tensão intermediária na entrada - depois de receber um sinal lógico regular, podemos enviá-lo (e sua inversão) a uma chave CMOS que podem ligar ou desligar o sinal analógico passando por isso (e esta chave funciona nos dois sentidos):



Como resultado, Eu tenho esse circuito, que tem vários limites de gatilho:



Este circuito possui uma entrada de controle S, que, quando conectada ao terra, uma tensão ou potência intermediária, conecta o sinal comum C aos contatos N (negativo), O (intermediário) ou P (positivo), respectivamente - neste caso, consideramos a tensão intermediária como um sinal zero , respectivamente, o solo do microcircuito é -2,5V e a potência é + 2,5V. No curso da área de trabalho, existem 2 orifícios que tornam impossível um curto-circuito aleatório se as teclas vizinhas ligarem repentinamente ao mesmo tempo em que as zonas ativas são ativadas (afinal, as entradas do seletor ternário podem ser conectadas ao terra ou diretamente à fonte de alimentação) porque esses limites são feitos por “buracos”:



Usando maravilhosos vídeos tutoriais de mágica ( aqui e aquiComecei a desenhar transistores - para que o limiar de resposta esteja exatamente no meio, o tamanho do transistor superior (PMOS) deve ser cerca de duas vezes o tamanho do transistor inferior (NMOS): o



Magic permite salvar os traçados na biblioteca e criar circuitos mais complexos a partir dos componentes salvos da biblioteca, conectando os blocos com as camadas de metalização (das quais havia 3 nesse processo):



As regras do processo permitem que você retire todo o modelo SPICE de todo o circuito e, em seguida, esse modelo pode ser simulado no ngspice (simulador SPICE de código aberto, presente, por exemplo, entre os pacotes padrão do Debian Linux).

No processo de trabalhar na minha biblioteca, consegui encontrar um grupo de pessoas interessadas, compostas por cidadãos de diferentes estados, que concordaram em pagar metade da produção (o lote mínimo é de 40 cristais) em troca de ajuda em alguns esquemas ternários e quaternários - como resultado, a metade superior do cristal foi ocupada por alguns Eu provavelmente não tenho o direito de falar sobre as coisas, e o inferior tinha um módulo para teste seletivo de 16 circuitos básicos (à esquerda) e o seletor ternário (à direita):



No total, esse design tinha cerca de 1.500 transistores localizados em um chip de 2.2x2.2mm com 40 blocos (10 de cada lado) com tamanho de 100x100um, e todos os transistores, blocos e sinais foram pintados manualmente por mim do zero e eu, é claro, Não perdi a oportunidade de escrever meu apelido no cristal com o mesmo seletor ternário que indica o ano :)



É sempre bom ver seu próprio nome sob o "pequeno escopo", apresentando-se como um canhoto, calçando uma pulga;)



Depois de entregar o design à produção em junho de 2015, preparei silício cristais e 8 chips embalados em DIP40 somente em outubro:



Depois de me certificar de que o microcircuito funcione como um todo, adicionei os cristais de silício restantes (enviando-os de volta) ao DIP28 (para dar parte às crianças) e aos casos SOIC16 em que apenas os sinais do seletor ternário se destacam (custou vários milhares a mais):



Para testes detalhados, eu Encomendei um lenço para esses soics, soldando um dos microcircuitos de lá:



e levei os oscilogramas com um prefixo de osciloscópio digital ao computador - o seletor conectado no modo de buffer ternário:



e no modo de inversor ternário:



aqui a potência era de -5V ... + 5V (um pouco mais do que a tensão normal 5V entre o terra e a fonte de alimentação recomendada para o CMOS 0.5um) e pode-se observar que os limiares da gíria se afastaram, mas em geral a tensão média é completamente determinada. O único problema com esses chips éeles funcionam apenas em frequências de até 10 kHz :(

Minha suposição sobre as fracas características dinâmicas desses microcircuitos é que tentei atender de forma independente os requisitos especiais do fabricante - exigiram que todos os locais livres do chip fossem preenchidos com blocos com camadas de metal etc. Como a ausência deles pode ser danificada quando gravada por desenhos vizinhos localizados na mesma placa, como resultado, tive que inventar meu próprio enchedor de blocos:



que preenchia todos os pontos livres do cristal:



E parece que eu esqueci de conectá-lo ao chão como resultado, pilhas de capacitores perdidos pendurados no cristal, consumindo todas as altas frequências. Da próxima vez, tentarei evitar esse erro ou talvez levarei um produto comercial para o trabalho e utilizarei suas bibliotecas, porque meu seletor pode ser composto de componentes binários STANDARD enquanto estiver trabalhando com sinais ternários. Pode ser possível encontrar novamente um grupo de pessoas interessadas que concordariam em compartilhar o custo do próximo lote (por exemplo, um chip do último lote custará cerca de trezentos dólares ao custo). Estou ansioso por opiniões e comentários de Khabrovites respeitados :)