ゲートアレイ

ゲートアレイは、工場で金属相互接続層を追加することで、カスタムオーダーに従ってロジックデバイス（NANDゲート、フリップフロップなど）に相互接続されるコンポーネントを備えたプレファブリケーションチップを使用して、特定用途向け集積回路（ASIC）を設計および製造するアプローチです。1980年代の半導体業界の激動の時期に人気がありましたが、1990年代末までにその使用は減少しました。

同様の技術は、アナログ、アナログデジタル、構造化アレイの設計と製造にも使用されていますが、一般的にこれらはゲートアレイとは呼ばれません。

ゲートアレイは非コミットロジックアレイ（ULA）としても知られており、線形回路機能も提供していた^[1] 。また、セミカスタムチップも提供していた。^[要出典]

ゲートアレイには、いくつかの同時進行する開発経路がありました。英国のフェランティは、バイポーラULA技術の商品化の先駆者であり、^[2] 1983年までに「100から10,000ゲート以上」の回路を提供しました。^{[3] [4]同社は、1972年に}ローライのカメラにULA集積回路を初めて適用してセミカスタムチップで先行し、この技術のユーザーとして「実質的にすべてのヨーロッパのカメラメーカー」に拡大したことで、1970年代を通じてこの特定の市場で優位に立っていました。しかし、1982年までに30社もの企業がフェランティと競合し始め、同社の市場シェアは約30パーセントに減少しました。フェランティの「主な競合企業」は、マルコーニやプレッシーなどの他の英国企業で、どちらも別の英国企業であるマイクロサーキットエンジニアリングから技術のライセンスを受けていました。^{[5]同時代の取り組みであるUK5000も、}ブリティッシュ・テレコムや他の大手英国テクノロジー企業の協力を得て、「5,000個の使用可能なゲート」を備えたCMOSゲートアレイの製造を目指しました。 ^[6]

IBMは1970年代後半から1980年代前半にかけてメインフレームの製造に使用していた独自のバイポーラマスタースライスを開発しましたが、外部に商品化することはありませんでした。フェアチャイルドセミコンダクターも1960年代後半に、マイクロモザイクとポリセルと呼ばれるバイポーラアレイダイオードトランジスタロジックとトランジスタトランジスタロジックに短期間取り組んでいました。^[7]

CMOS（相補型金属酸化膜半導体）技術は、ゲートアレイの広範な商業化への扉を開いた。最初のCMOSゲートアレイは、1974年にロバート・リップ^{[8] [9]}によって、元IBM社員のフランク・ディバース、ジム・タトル、チャーリー・アレンが設立したサニーベールのフォトマスクショップ、 International Microcircuits, Inc. ^{[7] （IMI）向けに開発された。この最初の製品ラインは}、7.5ミクロンのシングルレベルメタルCMOS技術を採用し、ゲート数は50～400であった。当時のコンピュータ支援設計（CAD）技術は、利用できる処理能力が低かったため非常に初歩的なもので、これらの最初の製品の設計は部分的にしか自動化されていなかった。

この製品は、将来の設計で標準となるいくつかの機能の先駆けとなった。最も重要なのは、チップ全体でnチャネルおよびpチャネルトランジスタを2〜3列のペアで厳密に配置することと、それまで標準であった最小カスタム間隔ではなく、すべての相互接続をグリッド上で実行することです。この後のイノベーションは、2層CMOSアレイの開発と相まって、完全な自動化への道を開いた。これらの最初の部品のカスタマイズは、優れたソフトウェアツールがなかったため、やや面倒でエラーが発生しやすいものでした。^[7] IMIは、手作業によるカスタマイズの労力を最小限に抑えるために、PCボード開発技術を利用しました。当時のチップは手作業で設計されており、すべてのコンポーネントを描画して、精密なグリッド付きマイラーシートに相互接続し、色鉛筆を使用して各処理層を描きました。次に、ルビーリスシートを切り取って剥がし、（通常）プロセス層の200倍から400倍のスケール表現を作成しました。ルビリス カッティングではなくデジタル化が最新技術として導入され始めたばかりでしたが、当初はルビリス ステージが削除されただけで、図面は依然として手動で、その後「手作業」でデジタル化されました。一方、PC ボードは、相互接続にカスタム ルビリスから PC テープに移行しました。IMI はベース レイヤーの等尺写真の拡大版を作成しました。ロジック ゲート接続のデカールと PC テープを使用してこれらのゲートを相互接続することで、比較的小さな回路に対してカスタム回路を手作業ですばやくレイアウトし、既存の技術を使用して写真縮小することができました。

IMI との不和の後、ロバート・リップは 1978 年に 2 人のサイレント パートナーであるバーニー・アロンソンとブライアン・タイとカリフォルニア デバイス社 (CDI) を設立しました。CDI はすぐに IMI に匹敵する製品ラインを開発し、その後すぐに 5 ミクロンのシリコン ゲート単層製品ラインを開発し、ゲート密度は最大 1,200 ゲートに達しました。数年後、CDI は「チャネルレス」ゲート アレイを開発しました。これは、より複雑なシリコン下層によって生じる行のブロックを削減し、共通のロジック機能に必要な場所に個々のトランジスタ接続を事前に配線することで、第 1 レベルの金属相互接続を簡素化しました。これにより、チップ密度が 40% 増加し、製造コストが大幅に削減されました。^[8]

初期のゲートアレイは、当時カスタムチップに使用されていた最先端の n-MOS テクノロジと比較すると、パフォーマンスが低く、比較的大きくて高価でした。CMOS テクノロジは、パフォーマンスではなく、時計チップや電池駆動のポータブル計測機器などの非常に低消費電力のアプリケーションによって推進されていました。また、既存の主要なロジックテクノロジであるトランジスタ-トランジスタ ロジックのパフォーマンスをはるかに下回っていました。ただし、低消費電力、サイズ縮小、ポータブルおよび航空宇宙アプリケーション、および市場投入までの時間が重要な製品など、ニッチなアプリケーションでは、ゲートアレイが非常に貴重でした。パフォーマンスが問題にならない場合は、これらの小さなアレイでも、トランジスタ-トランジスタ ロジック ゲートでいっぱいのボードを置き換えることができました。一般的なアプリケーションは、ボード上でより大きな LSI 回路をサポートする多数の小さな回路を組み合わせることで、親しみを込めて「ガベージ コレクション」と呼ばれていました。また、開発コストとカスタム ツールのコストが低いため、このテクノロジは最も控えめな予算でも利用できました。初期のゲートアレイは、1970 年代の CB ブームに大きな役割を果たしたほか、モデムや携帯電話など、その後大量生産される製品の導入の手段にもなりました。

1980 年代初頭までに、ゲート アレイはニッチな用途から一般市場へと移行し始めていました。テクノロジーと市場のいくつかの要因が収束しつつありました。サイズとパフォーマンスは増大し、自動化は成熟し、1981 年に IBM がゲート アレイで構成された CPU を搭載した新しい主力製品3081メインフレームを発表すると、このテクノロジーは「ホット」になりました。ゲート アレイは消費者向け製品 ZX81 に使用され、市場への新規参入により知名度と信頼性が高まりました。^{[10] [11]}

1981年、ウィルフレッド・コリガン、ビル・オメーラ、ロブ・ウォーカー、ミッチェル・「ミック」・ボーンが LSIロジックを設立した。^[12]当初の目的はエミッタ結合ロジックゲートアレイの商品化だったが、市場が急速にCMOSへと移行していることに気づいた。代わりに、彼らはCDIのシリコンゲートCMOSラインをセカンドソースとしてライセンスした。この製品で彼らは市場で地位を確立し、同時に独自の5ミクロン2層メタルラインを開発した。この後者の製品ラインは、完全自動化に適した最初の商用ゲートアレイ製品だった。LSIは、ユーザーがLSIロジックのシステムにリモートログインして自分の施設から自分のチップを設計できる独自の開発ツールスイートを開発した。

シンクレア・リサーチは、強化されたZX80 の設計をZX81用の ULA チップに移植し、後にZX Spectrumでも ULA を使用した。互換性のあるチップがロシアで T34VG1 として製造された。^[13] エイコーン・コンピューターはBBC Microで複数の ULA チップを使用し、後にエイコーン・エレクトロンで単一の ULA を使用した。ホームコンピュータブームの時代から、他の多くのメーカーも自社のマシンで ULA を使用した。IBM PC はパーソナルコンピュータ市場の多くを席巻し、販売量の増加によりフルカスタムチップの経済性が向上した。コモドールのアミガシリーズは、コード名が示唆するように、ゲイリーおよびゲイルのカスタムチップにゲートアレイを使用した。

ゲート アレイの設計と製造のコストを削減し、アクセス性を高めるために、フェランティは 1982 年に ULA (Uncommitted Logical Array) 製品用の ULA Designer というコンピュータ支援設計ツールを導入しました。このツールの取得コストは 46,500 ポンドでしたが、設計プロセスにフェランティのサービスを利用した場合に発生する 15,000 ポンドの設計コストとは対照的に、設計あたり約 5,000 ポンドのコスト削減と、大量生産時のチップあたり 1 ～ 2 ポンドの製造コストの削減が約束されていました。^[14] RSX/11M を実行する PDP-11/23 ミニコンピュータをベースに、グラフィカル ディスプレイ、キーボード、「デジタル化ボード」、コントロール デスク、オプションのプロッタを備えたこのソリューションは、100 ゲートから 10,000 ゲートのゲート アレイの設計ニーズを満たすことを目指しており、設計はソリューションを取得した組織によって完全に実行され、「ロジック プラン」から始まり、ゲート アレイ自体のロジックのレイアウトを経て、ロジックの検証と自動テスト体制の確立のためのテスト仕様の定義で終わります。完成した設計の検証は、設計をイギリスのマンチェスターまたはカリフォルニア州サニーベールの「CAD センター」に転送した後、「外部の専門家」によって電話ネットワーク経由で実行されました。完成した設計のプロトタイプ作成には、推定 3 ～ 4 週間かかりました。ミニコンピュータ自体も、必要に応じて実験室またはオフィス システムとして実行できるように調整可能でした。^[15]

Ferranti は ULA Designer に続いて、VAX-11/730 をベースに 1 MB の RAM、120 MB の Winchester ディスクを搭載し、500 KB のメモリを搭載したグラフィック ユニットで駆動する高解像度ディスプレイを使用して「高速ウィンドウ表示、ペイント、編集機能」を実現する Silicon Design System 製品を発表しました。ソフトウェア自体は、すでに VAX-11/780 システムを使用してマルチユーザー環境を提供している組織向けに個別に提供されていましたが、ハードウェアとソフトウェアの「スタンドアロン システム」パッケージは、設計プロセス中に「より高速な応答」を備えたより手頃なソリューションを提供することを目的としていました。製品の使用に関連するツール スイートには、ロジック入力とテスト スケジュール定義 (Ferranti 独自の記述言語を使用)、ロジック シミュレーション、レイアウト定義とチェック、プロトタイプ ゲート アレイのマスク生成が含まれていました。このシステムはまた、フェランティの自動配線可能（AR）アレイのアーキテクチャ上の特徴を利用して、完全に自動配線された設計をサポートすることを目指しており、「100％成功する自動レイアウトシステム」を提供し、この利便性によりシリコン面積が約25％増加しました。^[16]

他の英国企業もゲートアレイの設計と製造のための製品を開発した。ケンブリッジ大学からスピンオフした Qudos Limited は、VAX および MicroVAX II システムで使用できる Quickchip というチップ設計製品を 11,000 ドルの完全なターンキーソリューションとして提供し、ゲートアレイの設計のための自動レイアウト、配線、ルールチェック、シミュレーション機能など、Ferranti の製品とほぼ同様のツールスイートを提供した。Qudos は電子ビームリソグラフィーを採用し、^[17] Ferranti ULA デバイスに設計をエッチングして、これらのカスタムチップの物理的基礎を形成した。典型的なプロトタイプの製造コストは、チップあたり 100 ポンドとされていた。^{[18] Quickchip はその後、} Acorn Cambridge Workstationに移植され、 BBC Micro用のローエンドバージョン、^[19]およびAcorn Archimedesにも移植された。^[20]

フィールド プログラマブル ゲート アレイ(FPGA)の開発により、間接的な競争が発生しました。Xilinxは1984 年に設立され、最初の製品は初期のゲート アレイとよく似ており、低速で高価で、一部のニッチ市場にしか適していませんでした。しかし、ムーアの法則により、すぐに勢力を拡大し、1990 年代初頭にはゲート アレイ市場に深刻な混乱をもたらしました。

設計者は依然として、フルカスタム設計の費用をかけずに独自の複雑なチップを作成する方法を望んでいましたが、最終的に、FPGA だけでなく、複合プログラマブル ロジック デバイス(CPLD)、メタル コンフィギュラブル スタンダード セル (MCSC)、構造化 ASIC の登場により、この願いは叶えられました。ゲート アレイでは、相互接続を堆積およびエッチングするためにバックエンドの半導体ウェハ ファウンドリが必要でしたが、FPGA と CPLD では相互接続がユーザー プログラム可能です。今日のアプローチは、リスクが低く、機能を迅速に検証できるため、FPGA でプロトタイプを作成することです。小型デバイスの場合、製造コストは十分に低くなります。しかし、大型 FPGA の場合、製造には非常にコストがかかり、電力を大量に消費し、多くの場合、必要な速度に達しません。これらの問題に対処するために、BaySand、Faraday、Gigoptics などのいくつかの ASIC 企業が、FPGA から ASIC への変換サービスを提供しています。

市場が活況を呈する一方で、業界の利益は乏しかった。半導体は 1980 年代に一連の不況を経験し、好況と不況のサイクルが生まれた。1980 年と 1981 年から 1982 年にかけての全般的な不況の後には高金利が続き、設備投資が抑制された。この削減は、当時設備投資に大きく依存していた半導体事業に大打撃を与えた。製造業者は、製造工場をフル稼働に維持し、急速に変化する業界で絶えず近代化を進めようと必死で、競争が激化した。市場に多くの新規参入者が参入したため、ゲート アレイの価格はシリコン製造業者の限界費用まで下落した。LSI Logic や CDI などのファブレス企業は、生産収入ではなく、設計サービスとコンピューター時間の販売で生き延びた。^[8]

21世紀初頭の時点では、ゲートアレイ市場はコストやパフォーマンス上の理由から行われたFPGA変換によって牽引され、以前の姿の名残を残していました。IMIはゲートアレイからミックスドシグナル回路へと移行し、後に2001年にCypress Semiconductorに買収されました。CDIは1989年に閉鎖され、LSI Logicは標準製品を支持して市場から撤退し、最終的にBroadcomに買収されました。^[21]

ゲートアレイは、ほとんどのトランジスタがあらかじめ決められた機能を持たない、あらかじめ製造されたシリコンチップです。これらのトランジスタは、金属層で接続して、標準のNANDまたはNOR ロジックゲートを形成できます。これらのロジックゲートは、同じ金属層または後続の金属層でさらに相互接続して完全な回路にすることができます。指定された機能を持つ回路の作成は、製造プロセスの後半でチップにこの最終層または複数の金属相互接続層を追加することで実現され、チップの機能を必要に応じてカスタマイズできます。これらの層は、プリント回路基板の銅層に似ています。

最も初期のゲート アレイはバイポーラ トランジスタで構成され、通常は高性能トランジスタ ロジック、エミッタ結合ロジック、または電流モード ロジック構成として構成されていました。その後、 CMOS (相補型金属酸化膜半導体) ゲート アレイが開発され、業界を席巻しました。

未完成のチップがウェーハ上に配列されたゲートアレイのマスタースライスは、通常、顧客の注文に関係なく、大量に製造済みで備蓄されています。個々の顧客仕様に従った設計と製造は、標準セルまたは完全なカスタム設計よりも短時間で完了できます。ゲートアレイのアプローチでは、製造する必要があるカスタムマスクが少なくなるため、非反復エンジニアリングマスクのコストが削減されます。さらに、製造テストツールのリードタイムとコストが削減されます。同じダイサイズで製造されたすべてのゲートアレイ製品に同じテストフィクスチャを使用できます。ゲートアレイは、より複雑な構造化 ASICの前身です。ゲートアレイとは異なり、構造化 ASIC には、定義済みまたは構成可能なメモリやアナログブロックが含まれる傾向があります。

アプリケーション回路は、十分なゲート、配線、および I/O ピンを備えたゲート アレイ上に構築する必要があります。要件はさまざまであるため、ゲート アレイは通常ファミリで提供され、大きなメンバーにはすべてのリソースが多くありますが、それに応じて高価になります。設計者は必要なゲートと I/O ピンの数をかなり簡単に計算できますが、必要なルーティング トラックの数は、同じ量のロジックを持つ設計間でも大幅に異なる場合があります (たとえば、クロスバー スイッチでは、同じゲート数のシストリック アレイよりもはるかに多くのルーティングが必要です)。未使用のルーティング トラックは、メリットをもたらさずに部品のコストを増加させ (パフォーマンスを低下させ) るため、ゲート アレイの製造元は、ゲートと I/O ピンの点で適合するほとんどの設計をルーティングできるように、十分なトラックを提供するように努めます。これは、レントの法則から導き出された推定値や、既存の設計での実験によって決定されます。

ゲート アレイの主な欠点は、他の ASIC 設計手法に比べて密度とパフォーマンスがやや低いことです。ただし、このスタイルは、生産量が少ない場合には実行可能な手法となることがよくあります。

ゲートアレイは、1980 年代前半から中頃にかけて、ZX81、ZX Spectrum、BBC Micro、Acorn Electron、Advance 86、 Commodore Amigaなどの家庭用コンピュータで広く使用されていました。

1980年代には、Forth Novix N4016とHP 3000シリーズ37 CPUの両方のスタックマシンが、一部のグラフィック端末機能と同様にゲートアレイによって実装されました。^{[22] [23]}少なくとも1990年代のDECとHPのサーバーの一部のサポートハードウェアはゲートアレイによって実装されました。^{[24] [25]}

データブック

• ウィキメディア・コモンズのゲートアレイ関連メディア
• Shirriff, Ken (2024 年 3 月)。「ゲート アレイで実装された珍しい 7400 シリーズ チップの内部」。