مصفوفة البوابات

شهدت مصفوفات البوابات مسارات تطوير متزامنة متعددة. كانت شركة فيرانتي في المملكة المتحدة رائدة في تسويق تقنية المصفوفات الخطية أحادية المستوى ثنائية القطب ، ^{[ 4 ]} حيث قدمت دوائر تتراوح بين 100 و10000 بوابة فأكثر بحلول عام 1983، ^{[ 5 ] [ 6 ]} على الرغم من أنها كانت في الواقع تقدم منتجات تحتوي على 4000 بوابة فقط في ذلك الوقت. ^{[ 7 ]} وقد أدى ريادة الشركة المبكرة في مجال الرقائق شبه المخصصة، مع التطبيق الأولي لدائرة متكاملة من نوع ULA في كاميرا من شركة رولاي عام 1972، والذي توسع ليشمل "جميع مصنعي الكاميرات الأوروبيين تقريبًا" كمستخدمين لهذه التقنية، إلى هيمنة الشركة على هذا السوق تحديدًا طوال سبعينيات القرن الماضي. ومع ذلك، بحلول عام 1982، بدأ ما يصل إلى 30 شركة في منافسة فيرانتي، مما أدى إلى انخفاض حصة الشركة في السوق إلى حوالي 30%. كان المنافسون الرئيسيون لشركة فيرانتي شركات بريطانية أخرى مثل ماركوني وبليسي ، وكلاهما حصلتا على ترخيص تقنية من شركة بريطانية أخرى هي مايكرو سيركت إنجينيرينغ. ^{[ 8 ]} كما سعت مبادرة معاصرة، هي UK5000، إلى إنتاج مصفوفة بوابات CMOS تضم "5000 بوابة قابلة للاستخدام"، بمشاركة من شركة بريتيش تيليكوم وعدد من شركات التكنولوجيا البريطانية الكبرى الأخرى. ^{[ 9 ]}

طوّرت شركة IBM شرائح رئيسية ثنائية القطب خاصة بها، استخدمتها في تصنيع الحواسيب المركزية في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات، لكنها لم تطرحها تجاريًا في الأسواق الخارجية. كما أجرت شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات تجربة قصيرة في أواخر الستينيات مع مصفوفات ثنائية القطب ، ومنطق ثنائي-ترانزستور، ومنطق ترانزستور-ترانزستور، تحت اسمي ميكروموزاييك وبولي سيل. ^{[ 10 ]}

فتحت تقنية CMOS ( أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية ) الباب أمام التسويق التجاري الواسع لمصفوفات البوابات. طُوِّرت أولى مصفوفات بوابات CMOS على يد روبرت ليب ^{[ 11 ] [ 12 ]} عام 1974 لصالح شركة International Microcircuits, Inc. ^{[ 10 ]} (IMI)، وهي شركة تصنيع أقنعة ضوئية في ساني فيل أسسها فرانك ديفرس وجيم تاتل وتشارلي ألين، موظفون سابقون في شركة IBM. استخدم خط الإنتاج الأول تقنية CMOS المعدنية أحادية المستوى بدقة 7.5 ميكرون ، وتراوح عدد بواباته بين 50 و400 بوابة . في ذلك الوقت، كانت تقنية التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) بدائية للغاية نظرًا لانخفاض القدرة الحاسوبية المتاحة، لذا لم يكن تصميم هذه المنتجات الأولى مؤتمتًا بالكامل.

ابتكر هذا المنتج العديد من الميزات التي أصبحت فيما بعد معيارًا في التصاميم اللاحقة. كان أهمها: التنظيم الدقيق لترانزستورات القناة السالبة والقناة الموجبة في أزواج من صفين إلى ثلاثة صفوف عبر الشريحة؛ وتشغيل جميع التوصيلات البينية على شبكات بدلًا من الحد الأدنى للمسافة المخصصة، التي كانت المعيار حتى ذلك الحين. مهد هذا الابتكار الطريق للأتمتة الكاملة عند اقترانه بتطوير مصفوفات CMOS ثنائية الطبقات. كان تخصيص هذه الأجزاء الأولى شاقًا وعرضة للأخطاء إلى حد ما بسبب نقص أدوات البرمجيات الجيدة. ^{[ 10 ]} استفادت شركة IMI من تقنيات تطوير لوحات الدوائر المطبوعة لتقليل جهد التخصيص اليدوي. في ذلك الوقت، كانت الشرائح تُصمم يدويًا، برسم جميع المكونات وتوصيلها على صفائح مايلر شبكية دقيقة، باستخدام أقلام ملونة لتحديد كل طبقة معالجة. ثم تُقطع صفائح روبيليث وتُقشر لإنشاء تمثيل (عادةً) بمقياس 200 إلى 400 ضعف لطبقة المعالجة. ثم يُصغر هذا التمثيل ضوئيًا لإنشاء قناع 1×. كانت الرقمنة، بدلاً من تقنية القطع بالروبيليث، في بداياتها كأحدث التقنيات، لكنها في البداية اقتصرت على إزالة مرحلة الروبيليث فقط؛ إذ ظلت الرسومات تُنفذ يدويًا ثم تُرقمن يدويًا. في الوقت نفسه، انتقلت لوحات الدوائر المطبوعة من استخدام الروبيليث المخصص إلى شريط الدوائر المطبوعة للوصلات البينية. وقد أنشأت شركة IMI صورًا مكبرة بالحجم الطبيعي للطبقات الأساسية. وباستخدام ملصقات توصيلات البوابات المنطقية وشريط الدوائر المطبوعة لربط هذه البوابات، أصبح من الممكن تصميم الدوائر المخصصة يدويًا بسرعة لهذه الدوائر الصغيرة نسبيًا، ثم تصغيرها ضوئيًا باستخدام التقنيات المتاحة.

بعد خلاف مع شركة IMI، أسس روبرت ليب شركة California Devices, Inc. (CDI) عام 1978 مع شريكين صامتين، هما بيرني آرونسون وبرايان تايغ. سرعان ما طورت CDI خط إنتاج منافسًا لمنتجات IMI، وبعد فترة وجيزة، خط إنتاج أحادي الطبقة ببوابات سيليكونية بقياس 5 ميكرون وكثافة تصل إلى 1200 بوابة. بعد ذلك بعامين، طورت CDI مصفوفات بوابات "بدون قنوات" قللت من انسداد الصفوف الناتج عن طبقة سيليكونية سفلية أكثر تعقيدًا، حيث تم توصيل وصلات الترانزستورات الفردية مسبقًا بالمواقع اللازمة لوظائف المنطق المشتركة، مما بسّط التوصيلات المعدنية من المستوى الأول. أدى ذلك إلى زيادة كثافة الرقائق بنسبة 40%، مما خفض تكاليف التصنيع بشكل ملحوظ. ^{[ 11 ]}

كانت مصفوفات البوابات المبكرة منخفضة الأداء وكبيرة الحجم نسبيًا ومكلفة مقارنةً بتقنية n-MOS المتطورة آنذاك والمستخدمة في الرقائق المخصصة. كانت تقنية CMOS مدفوعة بتطبيقات منخفضة الطاقة للغاية، مثل رقائق الساعات والأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطاريات، وليس بالأداء. كما كان أداؤها أقل بكثير من أداء تقنية المنطق السائدة آنذاك، وهي منطق الترانزستور-ترانزستور . ومع ذلك، كانت هناك العديد من التطبيقات المتخصصة التي كانت فيها لا غنى عنها، لا سيما في تطبيقات الطاقة المنخفضة، وتصغير الحجم، والتطبيقات المحمولة، وتطبيقات الفضاء، بالإضافة إلى المنتجات التي تتطلب سرعة في طرحها في السوق. حتى هذه المصفوفات الصغيرة يمكنها أن تحل محل لوحة مليئة ببوابات منطق الترانزستور-ترانزستور إذا لم يكن الأداء مشكلة. كان أحد التطبيقات الشائعة هو دمج عدد من الدوائر الأصغر التي تدعم دائرة LSI أكبر على لوحة واحدة، وهو ما يُعرف باسم "تجميع النفايات". وقد جعلت التكلفة المنخفضة للتطوير والأدوات المخصصة هذه التقنية متاحة حتى لأصحاب الميزانيات المتواضعة. لعبت مصفوفات البوابات المبكرة دورًا كبيرًا في رواج تقنية الاتصالات اللاسلكية في السبعينيات، كما كانت وسيلة لإدخال منتجات أخرى لاحقة تم إنتاجها بكميات كبيرة مثل أجهزة المودم والهواتف المحمولة. ^{[ 13 ]}

بحلول أوائل ثمانينيات القرن العشرين، بدأت مصفوفات البوابات بالانتقال من تطبيقاتها المتخصصة إلى السوق العامة. وقد تضافرت عدة عوامل في مجال التكنولوجيا والأسواق، منها ازدياد الحجم والأداء، ونضوج أنظمة التشغيل الآلي، واكتساب التكنولوجيا رواجًا كبيرًا عندما طرحت شركة IBM في عام 1981 جهازها الرئيسي الجديد 3081 المزود بوحدة معالجة مركزية تتضمن مصفوفات بوابات. وقد استُخدمت هذه المصفوفات في منتج استهلاكي، هو ZX81، كما ساهم دخول شركات جديدة إلى السوق في تعزيز حضورها ومصداقيتها. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

في عام ١٩٨١، أسس ويلفريد كوريجان ، وبيل أوميرا، وروب ووكر، وميتشل "ميك" بون شركة LSI Logic . ^{[ ١٦ ]} كان هدفهم الأولي تسويق مصفوفات البوابات المنطقية المقترنة بالباعث، لكنهم اكتشفوا أن السوق يتجه بسرعة نحو تقنية CMOS. لذا، حصلوا على ترخيص خط إنتاج CMOS ذي البوابة السيليكونية من شركة CDI كمصدر ثانٍ . رسّخ هذا المنتج مكانتهم في السوق بينما كانوا يطورون خط إنتاجهم الخاص من المعدن ثنائي الطبقات بدقة ٥ ميكرون. كان خط الإنتاج الأخير هذا أول منتج تجاري لمصفوفات البوابات قابل للأتمتة الكاملة. طورت LSI مجموعة من أدوات التطوير الخاصة بها التي سمحت للمستخدمين بتصميم رقائقهم الخاصة من منشآتهم عبر تسجيل الدخول عن بُعد إلى نظام LSI Logic.

قامت شركة سينكلير ريسيرش بتطوير تصميم مُحسّن لجهاز ZX80 ليُصبح شريحة ULA لجهاز ZX81 ، واستخدمت لاحقًا شريحة ULA في جهاز ZX Spectrum . وصُنعت شريحة مُتوافقة في روسيا تحت اسم T34VG1. ^{[ 17 ]} استخدمت شركة أكورن كمبيوترز عدة شرائح ULA في جهاز BBC Micro ، ولاحقًا شريحة ULA واحدة لجهاز أكورن إلكترون . واستخدمت العديد من الشركات المُصنّعة الأخرى، خلال فترة ازدهار الحواسيب المنزلية، شرائح ULA في أجهزتها. استحوذ جهاز IBM PC على جزء كبير من سوق الحواسيب الشخصية، وجعلت أحجام المبيعات الكبيرة الشرائح المُخصصة بالكامل أكثر اقتصادية. استخدمت سلسلة Amiga من كومودور مصفوفات البوابات لشرائح Gary وGayle المُخصصة، كما قد تُشير أسماؤها الرمزية.

في محاولة لخفض التكاليف وزيادة سهولة الوصول إلى تصميم وإنتاج مصفوفات البوابات المنطقية، طرحت شركة فيرانتي في عام 1982 أداة تصميم بمساعدة الحاسوب لمنتجها من مصفوفات المنطق غير المخصصة (ULA) تُسمى ULA Designer. ورغم أن تكلفة اقتناء هذه الأداة بلغت 46,500 جنيه إسترليني، إلا أنها وعدت بتخفيض التكاليف إلى حوالي 5,000 جنيه إسترليني لكل تصميم، بالإضافة إلى تكاليف تصنيع تتراوح بين 1 و2 جنيه إسترليني لكل شريحة عند الإنتاج بكميات كبيرة، وذلك مقارنةً بتكاليف التصميم البالغة 15,000 جنيه إسترليني التي كانت تُتكبد عند الاستعانة بخدمات فيرانتي لعملية التصميم. ^{[ 18 ]} استنادًا إلى حاسوب مصغر من طراز PDP-11/23 يعمل بنظام RSX/11M، بالإضافة إلى شاشة عرض رسومية، ولوحة مفاتيح، ولوحة تحويل رقمي، ووحدة تحكم، وطابعة اختيارية، هدف الحل إلى تلبية احتياجات تصميم مصفوفات البوابات من 100 إلى 10000 بوابة. وتتولى المؤسسة التي تحصل على الحل عملية التصميم بالكامل، بدءًا من "خطة منطقية"، مرورًا بتصميم المنطق في مصفوفة البوابات نفسها، وانتهاءً بتحديد مواصفات اختبار للتحقق من المنطق وإنشاء نظام اختبار آلي. ويتم التحقق من التصاميم المكتملة بواسطة "متخصصين خارجيين" بعد نقل التصميم إلى "مركز تصميم بمساعدة الحاسوب" في مانشستر، إنجلترا، أو صني فيل، كاليفورنيا، وربما عبر شبكة الهاتف. ويستغرق إعداد النماذج الأولية للتصاميم المكتملة ما يقدر بثلاثة إلى أربعة أسابيع. كما يمكن تكييف الحاسوب المصغر نفسه للعمل كنظام مختبري أو مكتبي عند الاقتضاء. ^{[ 19 ]}

بعد نجاح برنامج ULA Designer، أطلقت فيرانتي منتج Silicon Design System، وهو نظام تصميم يعتمد على معالج VAX-11/730 مزود  بذاكرة وصول عشوائي (RAM) سعتها 1 ميجابايت،  وقرص تخزين Winchester بسعة 120 ميجابايت، وشاشة عرض عالية الدقة مدعومة بوحدة معالجة رسومية (GPU)  بذاكرة خاصة بها سعتها 500 كيلوبايت، مما يوفر إمكانيات عالية السرعة في عرض النوافذ والرسم والتحرير. كان البرنامج متاحًا بشكل منفصل للمؤسسات التي تستخدم بالفعل أنظمة VAX-11/780 لتوفير بيئة متعددة المستخدمين، ولكن حزمة "النظام المستقل" التي تجمع بين الأجهزة والبرامج كانت تهدف إلى توفير حل أكثر فعالية من حيث التكلفة مع استجابة أسرع خلال عملية التصميم. تضمنت مجموعة الأدوات المستخدمة في المنتج إدخال المنطق وتحديد جدول الاختبار (باستخدام لغات وصف فيرانتي الخاصة)، ومحاكاة المنطق ، وتحديد وفحص التخطيط، وإنشاء الأقنعة لمصفوفات البوابات النموذجية. كما سعى النظام إلى دعم التصاميم الموجهة تلقائيًا بالكامل، مستفيدًا من الميزات المعمارية لمصفوفات التوجيه التلقائي (AR) من فيرانتي لتقديم "نظام تخطيط تلقائي ناجح بنسبة 100%"، مع ما يترتب على هذه الميزة من زيادة في مساحة السيليكون بنسبة 25% تقريبًا. ^{[ 20 ]}

طوّرت شركات بريطانية أخرى منتجات لتصميم وتصنيع مصفوفات البوابات. وقدّمت شركة Qudos Limited، المنبثقة عن جامعة كامبريدج، منتجًا لتصميم الرقائق الإلكترونية يُدعى Quickchip، متوفرًا لأنظمة VAX وMicroVAX II، كحلٍّ متكامل جاهز للاستخدام بسعر 11,000 دولار أمريكي، موفرًا مجموعة أدوات مشابهة إلى حد كبير لأدوات منتجات Ferranti، بما في ذلك التخطيط التلقائي، والتوجيه، والتحقق من القواعد، ووظائف المحاكاة لتصميم مصفوفات البوابات. استخدمت Qudos تقنية الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون، ^{[ 21 ]} لنقش التصاميم على أجهزة Ferranti ULA التي شكّلت الأساس المادي لهذه الرقائق المُخصصة. وذُكر أن تكلفة إنتاج النموذج الأولي النموذجية تبلغ 100 جنيه إسترليني لكل رقاقة. ^{[ 22 ]} نُقل برنامج Quickchip لاحقًا إلى محطة عمل Acorn Cambridge ، مع إصدار منخفض التكلفة لجهاز BBC Micro ، ^{[ 23 ]} وإلى جهاز Acorn Archimedes . ^{[ 24 ]}

نشأت منافسة غير مباشرة مع تطور مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA). تأسست شركة زيلينكس عام 1984، وكانت منتجاتها الأولى شبيهة بمصفوفات البوابات المبكرة، بطيئة ومكلفة، وملائمة فقط لبعض الأسواق المتخصصة. ومع ذلك، سرعان ما جعلها قانون مور قوة مؤثرة، وبحلول أوائل التسعينيات، كانت تُحدث تغييرًا جذريًا في سوق مصفوفات البوابات. ^{[ 25 ]}

كان المصممون لا يزالون يتوقون إلى طريقة لإنشاء رقائقهم المعقدة الخاصة بهم دون تكلفة التصميم المخصص بالكامل، وفي النهاية، تحققت هذه الرغبة مع ظهور ليس فقط مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA)، بل أيضًا أجهزة المنطق القابلة للبرمجة المعقدة (CPLD)، والخلايا القياسية المعدنية القابلة للتكوين (MCSC)، والدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) المهيكلة. في حين أن مصفوفة البوابات تتطلب مصنعًا متخصصًا في تصنيع رقائق أشباه الموصلات لترسيب وحفر الوصلات البينية، فإن مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA) وأجهزة المنطق القابلة للبرمجة المعقدة (CPLD) تتميز بوصلات بينية قابلة للبرمجة من قبل المستخدم. يتمثل النهج المتبع اليوم في تصنيع النماذج الأولية باستخدام مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA)، نظرًا لانخفاض المخاطر وإمكانية التحقق من الوظائف بسرعة. بالنسبة للأجهزة الصغيرة، تكون تكاليف الإنتاج منخفضة بما فيه الكفاية. أما بالنسبة لمصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA) الكبيرة، فإن الإنتاج مكلف للغاية، ويستهلك الكثير من الطاقة، وفي كثير من الحالات، لا يصل إلى السرعة المطلوبة. ولمعالجة هذه المشكلات، تقدم العديد من شركات تصنيع الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) مثل BaySand وFaraday وGigoptics وغيرها خدمات تحويل مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA) إلى دوائر متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASIC).

بينما ازدهر السوق، كانت أرباح الصناعة ضئيلة. شهدت صناعة أشباه الموصلات سلسلة من فترات الركود المتتالية خلال ثمانينيات القرن الماضي، مما أدى إلى دورة ازدهار وانهيار. أعقب الركود العام في عامي 1980 و1981-1982 ارتفاع في أسعار الفائدة، مما حدّ من الإنفاق الرأسمالي. ألحق هذا الانخفاض ضرراً بالغاً بقطاع أشباه الموصلات، الذي كان آنذاك يعتمد بشكل كبير على الإنفاق الرأسمالي. لجأ المصنّعون، في سعيهم الحثيث للحفاظ على طاقة مصانعهم الإنتاجية وتوفير تكاليف التحديث المستمر في صناعة سريعة التطور، إلى منافسة شرسة. أدى دخول العديد من الشركات الجديدة إلى السوق إلى انخفاض أسعار مصفوفات البوابات إلى أدنى مستوياتها، لتصل إلى التكاليف الحدية لمصنّعي السيليكون. تمكنت شركات تصميم أشباه الموصلات، مثل LSI Logic وCDI، من البقاء بالاعتماد على بيع خدمات التصميم ووقت الحوسبة بدلاً من عائدات الإنتاج. ^{[ 11 ]}

مع مطلع القرن الحادي والعشرين، أصبح سوق مصفوفات البوابات الإلكترونية مجرد بقايا من سابقه، مدفوعًا بتحويلات FPGA التي تمت لأسباب تتعلق بالتكلفة أو الأداء. انتقلت شركة IMI من مصفوفات البوابات إلى دوائر الإشارات المختلطة، واستحوذت عليها لاحقًا شركة Cypress Semiconductor في عام 2001؛ وأغلقت شركة CDI أبوابها في عام 1989؛ وتخلت شركة LSI Logic عن السوق لصالح المنتجات القياسية، واستحوذت عليها في نهاية المطاف شركة Broadcom. ^{[ 26 ]}