7.5. Перспективные разработки, использующие технологию СБИС

Три предыдущих раздела были связаны с обзором методов, которые применяются для реализации адаптивных фильтров, работающих в реальном масштабе времени, и которые основаны на использовании доступной в настоящее время технологии. В данном разделе рассматриваются альтернативы, становящиеся возможными по мере освоения технологических процессов изготовления СБИС. Это относится к кремниевой, кремний-на-сапфире (КНС), арсенидогаллиевой  (GaAs) и другим полупроводниковым технологиям. Хотя кремниевая технология используется широко, проводится значительное количество исследований по методам технологической обработки GaAs.

Преимущества технологии СБИС, несомненно, очевидны лишь для цифровых методов обработки сигналов, поскольку для аналоговых структур, например типа ПЗС, реальных преимуществ, вследствие уменьшения характерных размеров элементов, получить не удается. Считается, что для цифровых методов обработки сигналов применение СБИС приведет к повышению быстродействия на порядок при двадцатикратном увеличении сложности кристалла такого же размера, как используемый в настоящее время в технологии БИС. Это позволило бы создать системы, имеющие  активных элементов в одном кристалле, с временем задержки переключения, сниженным до величины около 10 пс, и дало бы, например, возможность разработать 12 – разрядные цифровые умножители в одном кристалле с временем задержки каждого отдельного умножителя, лежащим в субнаносекундном диапазоне.

Из характера приведенных выше цифр, очевидно, что можно создать сложные системы обработки сигнала в однокристальном варианте с реалистичными скоростями выборки, обеспечивающими этим системам возможность работать в качестве процессоров в реальном масштабе времени. Однако высокая сложность конструирования кристаллов  СБИС будет основным ограничением, с точки зрения их экономической эффективности, до тех пор, пока не станут доступными средства автоматизированного проектирования и упрощенное проведение испытаний. Например, оценка времени, затраченного на разработку и освоение выпуска новых 32 – разрядных микропроцессоров, составляет примерно 130 человеко-лет. При дальнейшем усложнении СБИС и выборе структур высшего порядка, допускающих применение подходов, характерных для сжимающих антенных решеток [179], время разработки увеличивается примерно до 700 человеко-лет на один прибор.

При таком уровне затрат можно, очевидно, порекомендовать свести к минимуму число индивидуальных разработок и с максимальным вниманием относиться к каждой разработке. Предполагается, что это можно было бы выполнить путем увеличения применения программируемых устройств обработки сигналов общего назначения, которые бы легко сопрягались с микроЭВМ. На рис. 7.28 схематично изображена конкретная структура, предназначенная для реализации линейных фильтров, подобных рассмотренным в данной главе. Эта система состоит, в основном, из параллельного умножителя, входы которого обслуживаются ЗУПВ с двумя портами. Выходной сигнал с умножителя может поступать в накопитель, а дополнительным средством для хранения адреса и последовательности команд процессора может быть ЗУПВ или ПЗУ. Ясно, что структура такого типа не оптимальна для выполнения адаптивной фильтрации, хотя ее полное быстродействие позволило бы ей работать при более высоких частотах выборки, чем ширина полосы речевых сигналов. Понятно, что независимо от того, какой именно тип процессора может применяться в видео- или звуковой полосе частот, для любого фильтра количество выборок должно сохраняться поддающимся оценке.

Рис. 7.28. Обобщенная блок-схема обработки сигнала для применения в линейной фильтрации.

Единственно доступной альтернативой таким процессорам общего назначения на основе СБИС является разработка заказных БИС. Эта возможность зависит исключительно от доступности средств автоматизированного проектирования микросхем [77]. Такие системы автоматизированного проектирования (САПР) дают возможность производить конструирование на системном уровне с помощью применения предварительно разработанных и испытанных системных модулей. Затем конструктор может программным путем промоделировать устройство, прежде чем с помощью САПР по заданной программе автоматически разработать эскизы фотошаблонов микросхемы. Была предложена такая система [76], основанная на секционированной арифметике [205], в которой общее время разработки кристалла, по утверждению авторов, было снижено до нескольких человеко-дней. Таких результатов можно достичь, если разработка заказных БИС станет реальной альтернативой выпускаемым в массовых количествах программируемым компонентам.