Integrace ve velmi velkém měřítku - Very Large Scale Integration

„VLSI“ přeadresuje tady. Pro bývalou společnost viz Technologie VLSI .
Nesmí být zaměňována s velmi vysokorychlostním integrovaným obvodem .

Velmi rozsáhlá integrace ( VLSI ) je proces vytváření integrovaného obvodu (IC) kombinací milionů tranzistorů MOS na jeden čip. VLSI začalo v 70. letech minulého století, kdy byly široce přijaty čipy s integrovanými obvody MOS , což umožňovalo vývoj komplexních polovodičových a telekomunikačních technologií. Na mikroprocesor a paměťové čipy jsou zařízení VLSI. Před zavedením technologie VLSI měla většina integrovaných obvodů omezenou sadu funkcí, které mohly provádět. Elektronický obvod se může skládat z CPU , ROM , RAM a další lepidlo logiku . VLSI umožňuje návrhářům integrovat všechny tyto prvky do jednoho čipu .

VLSI integrovaných obvodů die

Dějiny

Pozadí

Historie tranzistorových datuje do roku 1920, kdy několik usiloval vynálezce přístroje, které byly určeny k ovládání proudu v polovodičových diod a převést je do trioda. Úspěch přišel po druhé světové válce, kdy použití krystalů křemíku a germania jako radarových detektorů vedlo ke zlepšení výroby a teorie. Vědci, kteří pracovali na radaru, se vrátili k vývoji polovodičových zařízení. S vynálezem prvního tranzistoru v Bell Labs v roce 1947 se oblast elektroniky posunula od elektronek k polovodičovým zařízením .

S malým tranzistorem v rukou viděli elektrotechnici padesátých let možnosti konstrukce mnohem vyspělejších obvodů. Jak ale složitost obvodů rostla, vznikaly problémy. Jedním problémem byla velikost obvodu. Složitý obvod jako počítač závisel na rychlosti. Pokud byly součásti velké, dráty, které je spojují, musí být dlouhé. Elektrickým signálům trvalo, než prošly obvodem, a tím zpomalily počítač.

Vynález integrovaného obvodu podle Jack Kilby a Robert Noyce tento problém vyřešil tím, že všechny komponenty a čip ze stejného bloku (monolit) polovodičového materiálu. Obvody by mohly být menší a výrobní proces by mohl být automatizován. To vedlo k myšlence integrace všech komponent na monokrystalické křemíkové destičce, což vedlo k integraci v malém měřítku (SSI) na počátku 60. let a poté k integraci ve středním měřítku (MSI) na konci 60. let minulého století.

VLSI

Další informace: integrovaný obvod MOS

Společnost General Microelectronics představila první komerční integrovaný obvod MOS v roce 1964. Na začátku 70. let umožnila technologie integrovaných obvodů MOS integraci více než 10 000 tranzistorů do jednoho čipu. To v 70. a 80. letech vydláždilo cestu VLSI s desítkami tisíc tranzistorů MOS na jednom čipu (později stovky tisíc, poté miliony a nyní miliardy).

První polovodičové čipy obsahovaly každý dva tranzistory. Následné pokroky přidaly více tranzistorů a v důsledku toho bylo postupem času integrováno více jednotlivých funkcí nebo systémů. První integrované obvody obsahovaly jen několik zařízení, možná až deset diod , tranzistorů , rezistorů a kondenzátorů , což umožnilo vyrobit jednu nebo více logických bran na jednom zařízení. Nyní známá retrospektivně jako integrace v malém měřítku (SSI), vylepšení techniky vedla k zařízením se stovkami logických bran, známých jako integrace ve středním měřítku (MSI). Další vylepšení vedla k rozsáhlé integraci (LSI), tedy systémům s nejméně tisícem logických bran. Současná technologie se dostala daleko za tuto značku a dnešní mikroprocesory mají mnoho milionů bran a miliardy jednotlivých tranzistorů.

Najednou byla snaha pojmenovat a kalibrovat různé úrovně rozsáhlé integrace nad VLSI. Byly použity termíny jako ultra-large-scale integration (ULSI). Ale obrovský počet bran a tranzistorů dostupných na běžných zařízeních způsobil takové jemné rozdíly. Termíny, které naznačují vyšší integraci než úrovně VLSI, se již běžně nepoužívají.

V roce 2008 byly komerčně dostupné procesory s miliardami tranzistorů. To se stalo běžnějším, protože výroba polovodičů pokročila z tehdejší generace 65 nm procesů. Současné designy, na rozdíl od nejstarších zařízení, používají k rozvržení tranzistorů rozsáhlou automatizaci návrhu a automatizovanou logickou syntézu , což umožňuje vyšší úroveň složitosti výsledné logické funkce. Některé vysoce výkonné logické bloky, jako je buňka SRAM ( statická paměť s náhodným přístupem ), jsou stále navrhovány ručně, aby byla zajištěna nejvyšší účinnost.

Strukturovaný design

Strukturovaný design VLSI je modulární metodika vytvořená společnostmi Carver Mead a Lynn Conway pro úsporu oblasti mikročipů minimalizací oblasti propojených tkanin. Toho je dosaženo opakovaným uspořádáním obdélníkových makrobloků, které lze vzájemně propojit propojením abutmentem . Příkladem je rozdělení rozložení sčítačky do řady buněk stejných bitových řezů. U složitých návrhů lze této strukturace dosáhnout hierarchickým vnořením.

Strukturovaný návrh VLSI byly populární v časných 1980, ale prohrál jeho popularita později kvůli příchodu umístění a směrování nástrojů plýtvání hodně prostoru pomocí směrování , která je tolerována, protože pokrok Moorova zákona . Při zavádění programovacího jazyka Karl v polovině ‚1970, Reiner Hartenstein razil termín‚strukturovaný VLSI design‘(původně jako‚strukturované konstrukce LSI‘), odrážet Edsger Dijkstra ‘ s strukturované programování přístup tím, že postup hnízdění, aby se zabránilo chaotické špagety strukturované programy.

Potíže

Vzhledem k tomu, že se mikroprocesory stávají složitějšími díky škálování technologií , setkali se konstruktéři mikroprocesorů s několika výzvami, které je přinutily přemýšlet nad rovinou návrhu a dívat se dopředu na post-silicon:

  • Variace procesu - Jak se techniky fotolitografie přibližují základním zákonům optiky, stává se dosažení vysoké přesnosti dopingových koncentrací a leptaných drátů obtížnější a náchylnější k chybám v důsledku variací. Návrháři nyní musí simulovat napříč několika rohy výrobního procesu, než bude čip certifikován jako připravený k výrobě, nebo použít techniky na úrovni systému pro řešení účinků variací.
  • Přísnější pravidla návrhu - Kvůli problémům s litografií a leptem při škálování je kontrola rozvržení pravidel pro návrh stále přísnější. Designéři musí mít při sestavování vlastních obvodů na paměti stále rostoucí seznam pravidel. Režie pro vlastní design nyní dosahuje bodu zlomu, přičemž mnoho designérských domů se rozhodlo přejít na nástroje pro automatizaci elektronického návrhu (EDA), aby automatizovalo svůj proces navrhování.
  • Načasování/uzavření návrhu - Vzhledem k tomu, že hodinové frekvence mají tendenci se zvyšovat, je pro designéry obtížnější distribuovat a udržovat nízké zkreslení hodin mezi těmito vysokofrekvenčními hodinami v celém čipu. To vedlo k rostoucímu zájmu o vícejádrové a víceprocesorové architektury, protože celkového zrychlení lze dosáhnout i s nižší taktovací frekvencí využitím výpočetního výkonu všech jader.
  • First-pass úspěch - Jak zemře velikosti zmenšit (z důvodu měřítka), a oplatek velikosti nahoru (kvůli snížení výrobních nákladů), počet razítek na oplatky se zvyšuje, a složitost vytváření vhodných šablonech stoupá rychleji. Sada masky pro moderní technologii může stát několik milionů dolarů. Tento neopakující se výdaj odrazuje starou iterativní filozofii zahrnující několik „spinových cyklů“ k nalezení chyb v křemíku a podporuje úspěch křemíku při prvním průchodu. Některé designové filozofie byly vyvinuty s cílem pomoci tohoto nového designu tok, včetně návrhu na výrobu ( DFM ), řešení pro zkoušky ( DFT ) a Design for X .
  • Elektromigrace

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy