Sehr große Integration

"Vlsi" leitet hier weiter. Für die frühere Firma siehe VLSI -Technologie.
Nicht zu verwechseln mit Sehr hohe Geschwindigkeit integrierte Schaltung.

Sehr große Integration (VLSI) ist der Prozess der Erstellung eines integrierten Schaltkreises (IC) durch Kombination von Millionen von MOS -Transistoren auf einen einzelnen Chip. VLSI begann in den 1970er Jahren, als MOS -integrierte Schaltung (Metalloxid -Halbleiter) Chips wurden weit verbreitet, was den Komplex ermöglichte Halbleiter und Telekommunikation Technologien zu entwickeln. Das Mikroprozessor und Speicher Chips sind VLSI -Geräte. Vor der Einführung der VLSI -Technologie hatten die meisten ICs eine begrenzte Reihe von Funktionen, die sie ausführen konnten. Ein elektronische Schaltung könnte aus a bestehen Zentralprozessor, Rom, RAM und andere Logik Kleber. Mit VLSI können IC -Designer alle diese hinzufügen in einen Chip.

Ein VLSI integrierter Kreislauf sterben

Geschichte

Hintergrund

Das Vorgeschichte des Transistors Daten in den 1920er Jahren, als mehrere Erfinder Geräte versuchten, die den Strom in Festkörperdioden kontrollieren und sie in Triodes umwandeln sollten. Der Erfolg erfolgte nach dem Zweiten Weltkrieg, als die Verwendung von Silizium- und Germaniumkristallen als Radardetektoren zu Verbesserungen der Herstellung und Theorie führte. Wissenschaftler, die an Radar gearbeitet hatten, kehrten zur Entwicklung von Festkörpergeräten zurück. Mit der Erfindung des ersten Transistor bei Bell Labs 1947 verlagerte sich das Elektronikfeld von Vakuumröhrchen auf Solid-State-Geräte.

Mit dem kleinen Transistor an ihren Händen sahen die Elektroingenieure der 1950er Jahre die Möglichkeit, weitaus fortgeschrittenere Schaltungen zu konstruieren. Mit zunehmender Komplexität der Schaltkreise traten jedoch Probleme auf.[1] Ein Problem war die Größe der Schaltung. Eine komplexe Schaltung wie ein Computer war von der Geschwindigkeit abhängig. Wenn die Komponenten groß waren, müssen die Drähte, die sie verbinden, lang. Die elektrischen Signale brauchten Zeit, um die Schaltung durchzugehen und so den Computer zu verlangsamen.[1]

Das Erfindung der integrierten Schaltung durch Jack Kilby und Robert Noyce löste dieses Problem, indem alle Komponenten und der Chip aus demselben Block (Monolith) des Halbleitermaterials herausgebracht wurden. Die Schaltkreise könnten kleiner werden und der Herstellungsprozess automatisiert werden. Dies führte zu der Idee, alle Komponenten in einen Einzelkristall-Silizium-Wafer zu integrieren, der in den frühen 1960er Jahren zu einer kleinen Integration (SSI) und dann in den späten 1960er Jahren zu einer Integration mit mittlerer Maßstab (MSI) führte.

VLSI

Weitere Informationen: MOS -integrierte Schaltung

Allgemeine Mikroelektronik stellte den ersten Werbespot vor Mos Integrierter Schaltkreis 1964.[2] In den frühen 1970er Jahren ermöglichte MOS Integrated Circuit Technology die Integration von mehr als 10.000 Transistoren in einen einzelnen Chip.[3] Dies ebnete den Weg für VLSI in den 1970er und 1980er Jahren, mit Zehntausenden von MOS -Transistoren auf einem einzigen Chip (später Hunderttausende, dann Millionen und jetzt Milliarden).

Die ersten Halbleiterchips hielten jeweils zwei Transistoren. Nachfolgende Fortschritte fügten mehr Transistoren hinzu, und infolgedessen wurden im Laufe der Zeit mehr individuelle Funktionen oder Systeme integriert. Die ersten integrierten Schaltkreise enthielten nur wenige Geräte, vielleicht bis zu zehn Dioden, Transistoren, Widerstände und Kondensatorenes ermöglicht, einen oder mehrere herzustellen Logik -Tore auf einem einzigen Gerät. Jetzt retrospektiv bekannt als kleine Integration (SSI) führte Verbesserungen der Technik zu Geräten mit Hunderten von Logik -Toren, die als bekannt als Integration mit mittlerer Maßstab (MSI). Weitere Verbesserungen führten zu Große Integration (LSI), d. H. Systeme mit mindestens tausend logischen Toren. Die aktuelle Technologie hat sich weit über diese Marke hinausgezogen und heute Mikroprozessoren haben viele Millionen von Toren und Milliarden einzelner Transistoren.

Zu einer Zeit gab es die Anstrengung, verschiedene Ebenen der groß angelegten Integration über VLSI zu benennen und zu kalibrieren. Begriffe wie Ultra-Large-Scale-Integration (ULSI) wurden verwendet. Aber die große Anzahl von Toren und Transistoren, die auf gemeinsamen Geräten verfügbar sind, hat solche feinen Unterschiede erfüllt. Begriffe, die auf größere als VLSI -Integrationsniveaus hinweisen, sind nicht mehr weit verbreitet.

Im Jahr 2008 wurden Milliardentransistorverarbeiter im Handel erhältlich. Dies wurde alltäglicher, als die Herstellung der Halbleiter aus der damaligen Stromerzeugung von vorrangte 65 nm Prozesse. Aktuelle Designs verwenden im Gegensatz zu den frühesten Geräten umfangreich Designautomatisierung und automatisiert Logiksynthese zu Layout Die Transistoren ermöglichen eine höhere Komplexität in der resultierenden Logikfunktionalität. Bestimmte Hochleistungslogikblöcke wie das SRAM (Statische Zufallszugriffsgedächtnis) Zelle, sind immer noch von Hand ausgelegt, um die höchste Effizienz zu gewährleisten.

Strukturiertes Design

Strukturiertes VLSI -Design ist eine modulare Methodik, die von entstanden ist Carver Met und Lynn Conway zum Speichern von Mikrochip -Flächen durch Minimierung des Bereichs der Interconnect -Stoffe. Dies wird durch wiederholte Anordnung rechteckiger Makroblöcke erhalten, die mit der Verkabelung durch Abutment miteinander verbunden werden können. Ein Beispiel ist die Aufteilung des Layouts eines Addierers in eine Reihe gleicher Bitscheibenzellen. In komplexen Entwürfen kann diese Strukturierung durch hierarchische Verschachtelung erreicht werden.[4]

Das strukturierte VLSI -Design war in den frühen 1980er Jahren beliebt gewesen, verlor jedoch später aufgrund des Aufkommens von seiner Popularität Platzierung und Routing Werkzeuge, die viel Bereich verschwenden von Routing, was wegen des Fortschritts von toleriert wird Moores Gesetz. Bei der Einführung des Hardware -Beschreibung Sprache Karl Mitte der 1970er Jahre prägte Reiner Hartenstein den Begriff "strukturiertes VLSI -Design" (ursprünglich als "strukturiertes LSI -Design"), Echoing Edsger Dijkstra's Strukturierte Programmierung Ansatz durch Verschärfen, um chaotisch zu vermeiden Spaghetti-strukturiert Programme.

Schwierigkeiten

Wenn Mikroprozessoren aufgrund von komplexer werden Technologieskalierung, Mikroprozessordesigner haben auf verschiedene Herausforderungen gestoßen, die sie dazu zwingen, über die Designebene hinauszudenken und nach Post-Silicon zu schauen:

  • Prozessvariation - Wie Photolithographie Techniken nähern sich den grundlegenden Gesetzen der Optik und erreichen eine hohe Genauigkeit in Doping Konzentrationen und geätzte Kabel werden aufgrund von Variationen schwieriger und anfällig für Fehler. Designer müssen jetzt über mehrere Herstellung hinweg simulieren Prozess -Ecken Bevor ein Chip für die Produktion zertifiziert ist oder Techniken auf Systemebene für den Umgang mit Variationswirkungen verwenden.
  • Strengere Designregeln - Aufgrund von Lithographie- und Ätzenproblemen mit Skalierung, Entwurfsregelprüfung zum Layout ist immer strenger geworden. Designer müssen eine immer zunehmende Liste von Regeln berücksichtigen, wenn Sie benutzerdefinierte Schaltkreise festlegen. Der Overhead für benutzerdefiniertes Design erreicht jetzt einen Wendepunkt, wobei viele Designhäuser sich entscheiden, um zu wechseln elektronische Designautomatisierung (EDA) Tools zur Automatisierung ihres Entwurfsprozesses.
  • Timing-/Designverschluss - Wie Taktfrequenzen Die Designer neigen dazu, es schwieriger zu verteilen und niedrig zu halten Uhr verzerrt Zwischen diesen Hochfrequenzuhren über den gesamten Chip. Dies hat zu einem steigenden Interesse an geführt Multicore und Multiprozessor Architekturen seit einem Gesamtbeschläge kann auch mit niedrigerer Taktfrequenz unter Verwendung der Rechenleistung aller Kerne erhalten werden.
  • Erst-Pass-Erfolg - Wie sterben Größen schrumpfen (aufgrund der Skalierung) und Wafer Die Größen steigen (aufgrund niedrigerer Herstellungskosten), die Anzahl der Stanzteile pro Wafer und die Komplexität der geeigneten Erstellung Fotomaschs geht schnell hoch. EIN Maskenset Für eine moderne Technologie kann mehrere Millionen Dollar kosten. Diese nicht wiederholende Kosten beschränken die alte iterative Philosophie, die mehrere "Spin-Cycles" beinhaltet, um Fehler im Silizium zu finden, und fördert den Erstpass-Siliziumerfolg. Es wurden mehrere Designphilosophien entwickelt, um diesen neuen Designfluss zu unterstützen, einschließlich Design für die Herstellung (DFM), Design für Test (DFT), und Design für x.
  • Elektromigration

Siehe auch

Verweise

  1. ^ a b "Die Geschichte der integrierten Schaltung". Nobelprize.org. Archiviert von das Original Am 29. Juni 2018. Abgerufen 21 Apr 2012.
  2. ^ "1964: Erster kommerzieller Mos IC eingeführt". Computergeschichte Museum.
  3. ^ Hitinger, William C. (1973). "Metalloxid-Sämiewerkstechnologie". Wissenschaftlicher Amerikaner. 229 (2): 48–59. Bibcode:1973Sciam.229b..48h. doi:10.1038/ScientificAmerican0873-48. ISSN 0036-8733. JStor 24923169.
  4. ^ Jain, B. K. (August 2009). Digitale Elektronik - ein moderner Ansatz von B K Jain. ISBN 9788182202153. Abgerufen 2. Mai 2017.

Weitere Lektüre

Externe Links