可编程逻辑器件随着半导体集成电路的4个阶段

发展历史

可编程逻辑器件伴随着半导体集成电路的发展而不断发展，其发展可以划分为以下4个阶段:

1.第一阶段

20世纪70年代，可编程器件只有简单的可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）3种，由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。

2.第二阶段

20世纪80年代，出现了结构上稍微复杂的可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑(GAL)器件，正式被称为PLD，它们能够完成各种逻辑运算功能。典型的PLD由“与”、“非”阵列组成，用“与或”表达式来实现任意组合逻辑，所以PLD能以乘积和形式完成大量的逻辑组合。PAL器件只能实现可编程，在编程以后无法修改；如需要修改，则需要更换新的PAL器件。但GAL器件不需要进行更换，只要在原器件上再次编程即可。

3.第三阶段

20世纪90年代，众多可编程逻辑器件厂商推出了与标准门阵列类似的FPGA和类似于PAL结构的扩展性CPLD提高了逻辑运算的速度，具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高和适用着围宽等特点，兼容了PLD和通用门阵列的优点，能够实现超太规模的电路，编程方式也很灵活，成为产品原型设计和中小规模（一般小于10000)产品生产的首选。

4.第四阶段

21世纪初，现场可编程门阵列和CPU相融合，并且集成到了单个的FPGA器件中。典型的，Xilinx推岀了两种基于FPGA的嵌人式解决方案：

(1)FPGA器件内嵌了时钟频率高达500MHz的PowerPC硬核微处理器和1GHZ的ARM Cortex-A9双核硬核嵌入式处理器。

(2)提供了低成本的嵌入式软核处理器，如：MicroBlaze、PicoBlaze。

通过这些嵌人式解决方案，实现了软件需求和硬件设计的完美结合，使FPGA的应用范围从数字逻辑扩展到了嵌人式系统领域。

可编程逻辑器件工艺

1.熔丝连接工艺

最早允许对器件进行编程的技术是熔丝连接技术。在釆用这种技术的器件中，所有逻辑靠熔丝连接。熔丝器件只可编程一次，一旦编程，永久不能改变。

熔丝的编程原理如图2.1所示。进行编程时，需要将熔丝烧断；编程完成后，相应的熔丝被烧断，如图2.2所示。

2.反熔丝连接工艺

反熔丝技术和熔丝技术相反，在未编程时，熔丝没有连接；编程后，熔丝将和逻辑单元连接。反熔丝开始是连接两个金属的微型非晶硅柱，未编程时，呈高阻状态；编程结束后，形成连接。反熔丝器件只可编程一次，一旦编程，永久不能改变。

反熔丝的编程原理如图2.3所示。进行编程时，需要将熔丝连接；编程完成后，相应的熔丝被连接，如图2.4所示。

3.SRAM工艺

SRAM的结构如图2.5所示。基于静态存储器SRAM的可编程器件，值被保存在SRAM中时，只要系统正常供电，信息就不会丢失，否则信息将丢失。SRAM存储数据需要消耗大量的硅面积，且断电后数据丢失，但是这种器件可以反复地编程和修改。

绝大多数的FPGA都采用这种工艺，这就是FPGA外部都需要有一个PROM芯片来保存设计代码的原因。

4.掩膜工艺

ROM是非易失性的器件，系统断电后，将信息保留在存储单元中。掩膜器件可以读出信息，但是不能写入信息。ROM单元保存了行粕列数据，形成一个阵列，每一列有负载电阻使其保持逻辑1，每个行列的交叉有一个关联晶体管和一个掩膜连接，如图2.6所示。

注：这种技术代价比较高，基本上很少使用。

下面对其工作原理进行推导，以帮助读者理解上图所实现的功能。

PROM工艺

PROM是非易失性器件，系统断电后，信息被保留在存储单元中。PROM器件可以编程一次，以后只能读数据而不能写入新的数据。PROM单元保存了行和列数据，形成一个阵列，每一列有负载电阻使其保持逻辑1，每个行列的交叉有一个关联晶体管和一个掩模连接，如下图所示。

如果可以多次编程，就称为EPROM和EEPROM技术。

6.FLASH工艺

釆用FLASH技术的芯片的擦除速度比采用PROM技术的芯片要快得多。FLASH技术可采用多种结构，与EPROM单元类似，具有一个浮置栅晶体管单元和EEPROM器件的薄氧化层特性。

编辑：hfy