[发明专利]一种基于可编程单元配置的可编程互连线网络

说明书

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种基于可编程单元配置的可编程互连线网络。 

背景技术

现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）是由可配置逻辑块组成的，通过不同配置数据对可配置逻辑块及互连资源进行配置以实现特定逻辑功能的数字集成电路，其主要由三个基本的组件构成：可编程逻辑块（CLB）、输入输出单元（IOB）和可编程互连网络（PI）。 

FPGA中的可编程互连网络（PI）用于实现可编程逻辑功能块之间的连接，是整个FPGA芯片的重要组成部分。目前，FPGA中的可编程互连网络根据配置技术通常分为三种类型：基于SRAM（静态随机存储器）配置的可编程互连网络、基于Flash（快闪电擦除可编程只读存储器）配置的可编程互连网络，以及基于反熔丝（编程使原来不连在一起的点连接起来）配置的可编程互连网络。 

1.基于SRAM配置的可编程互连网络：基于SRAM配置的可编程互连网络根据SRAM中的数据开启或关闭相应的互连路由，从而构建用户所需的信号通路，实现可编程功能块之间的连接。由于SRAM掉电后无法保存配置数据，所以用户必须先将配置数据写入FPGA芯片外的配置PROM中（可编程只读存储器），每次FPGA芯片上电时，再从配置PROM向SRAM单元写入配置数据。基于SRAM配置的可编程互连网络的缺点是：A.掉电 后数据丢失，需从PROM中重新读取。B.在受到高能粒子和宇宙辐射的影响时，容易导致单粒子翻转（高能粒子入射到SRAM中，产生电荷被存储电路的敏感节点收集，导致该电路节点的逻辑状态发生翻转，称为单粒子翻转）C.系统功耗较大。 

2.基于Flash配置的可编程互连网络：基于Flash配置的可编程互连网络是将配置数据写入FPGA芯片内的Flash中，根据Flash中的数据开启或关闭相应的互连路由，从而构建用户所需的信号通路，实现可编程功能块之间的连接。基于Flash配置的可编程互连网络的缺点是：A.功耗比基于SRAM配置的可编程互连网络更大。B.在辐照条件下配置数据可靠性不够高，容易出现软错误。C.数据保持不够持久。 

3.基于反熔丝配置的可编程互连网络：基于反熔丝配置的可编程互连网络是直接对可编程互连网络中两条不同互连线之间的反熔丝进行编程，从而使两条不同互连线连接在一起；或者将配置数据永久写入基于反熔丝技术的配置存储单元中，根据反熔丝配置存储单元保存的配置数据开启或关闭相应的互连路由，从而构建用户所需的信号通路，实现可编程功能块之间的连接。 

可编程互连网络中的反熔丝目前常用的为金属反熔丝（Metal to Metal），金属反熔丝位于不同可编程互连路由之间，通过编程控制其是否开通来实现特定的互连通路。金属反熔丝开关构建在两层金属之间，结构如图1所示。该Metal to Metal反熔丝材料由非晶硅层和电介质层构成。反熔丝夹在金属3（顶层金属）和用来连接金属2到金属3的过孔塞（via-plug） 之间。金属反熔丝编程后电阻比较小，可以实现两层可编程互连线之间的连接，但金属反熔丝需要特殊工艺流程支持才能制造，目前国内主流的晶圆代工厂尚无配套的工艺能够制造金属反熔丝。 

而基于反熔丝技术的配置存储单元选用一次可编程（OTP）存储器。目前，一次可编程（OTP）存储单元电路结构主要分为两种： 

（1）浮栅结构；例如没有透明窗（透明窗芯片封装顶部用来接收紫外线以实现数据擦除的玻璃窗口）的传统浮栅结构的PROM，其写入后就不能擦除，直到数据自动消失。其结构如图2所示。该MOS（金属氧化物半导体）管存在两个叠在一起的栅极，下面一个栅极即为浮栅，其原理是通过在MOS管的源极和漏极之间加一定的较高电压，使载流子进入到浮栅上，编程结束后这些载流子被束缚在浮栅上，从而改变该MOS管的阈值电压（MOS管开启所需的栅极电压），实现数据存储。这种结构的缺点是在受到如紫外光，高能粒子，微波等外界环境干扰时也有可能发生数据丢失，数据安全和可靠性不够高；随着时间的推移，浮栅上的电荷会慢慢自动减少消失，所以其数据保持时间也不够久。