Çok Büyük Ölçekli Entegrasyon - Very Large Scale Integration

Çok büyük ölçekli entegrasyon ( VLSI ), milyonlarca MOS transistörünü tek bir çip üzerinde birleştirerek bir entegre devre (IC) oluşturma sürecidir . VLSI, 1970'lerde MOS entegre devre yongalarının yaygın olarak benimsendiği ve karmaşık yarı iletken ve telekomünikasyon teknolojilerinin geliştirilmesine olanak sağladığı zaman başladı . Mikroişlemci ve bellek yongaları VLSI cihazlardır. VLSI teknolojisinin tanıtılmasından önce, çoğu IC'nin gerçekleştirebilecekleri sınırlı bir dizi işlevi vardı. Bir elektronik devre , bir CPU , ROM , RAM ve diğer bağlantı mantığından oluşabilir . VLSI, IC tasarımcılarının bunların hepsini tek bir çipe eklemesini sağlar .

Bir VLSI entegre devre kalıbı

Tarih

Arka fon

Transistör tarihçesi birkaç mucitler yarı iletken diyotların akım kontrol etmek ve triodların dönüştürmek amaçlanmıştır edildi cihazları teşebbüs 1920'lere kadar tarihleri. Başarı, silikon ve germanyum kristallerinin radar dedektörleri olarak kullanılmasının imalat ve teoride gelişmelere yol açtığı II. Dünya Savaşı'ndan sonra geldi. Radar üzerinde çalışan bilim adamları, katı hal cihazı geliştirmeye geri döndüler. İlk buluş ile transistor de Bell Labs 1947, elektronik alanı için vakum tüpleri kaymıştır katı hal cihazları .

1950'lerin elektrik mühendisleri ellerinde küçük transistörle çok daha gelişmiş devreler inşa etme olanaklarını gördüler. Ancak devrelerin karmaşıklığı arttıkça sorunlar ortaya çıktı. Bir sorun devrenin boyutuydu. Bilgisayar gibi karmaşık bir devre hıza bağlıydı. Bileşenler büyükse, onları birbirine bağlayan teller uzun olmalıdır. Elektrik sinyallerinin devreden geçmesi zaman aldı, bu da bilgisayarı yavaşlattı.

Entegre devrenin buluş tarafından Jack Kilby ve Robert Noyce'la bileşenleri ve yarı iletken malzemenin aynı blok (monolit) üzerinden çip her yaparak bu sorun çözülür. Devreler daha küçük yapılabilir ve üretim süreci otomatikleştirilebilir. Bu, 1960'ların başında küçük ölçekli entegrasyona (SSI) ve ardından 1960'ların sonlarında orta ölçekli entegrasyona (MSI) yol açan tüm bileşenleri tek kristalli bir silikon gofret üzerinde entegre etme fikrine yol açtı.

VLSI

General Microelectronics ilk ticari MOS entegre devresini 1964'te tanıttı. 1970'lerin başında, MOS entegre devre teknolojisi, tek bir çipte 10.000'den fazla transistörün entegrasyonuna izin verdi. Bu, 1970'lerde ve 1980'lerde tek bir çip üzerinde on binlerce MOS transistörle (daha sonra yüzbinlerce, sonra milyonlarca ve şimdi milyarlarca) VLSI'nin yolunu açtı.

İlk yarı iletken yongaların her biri iki transistör içeriyordu. Müteakip gelişmeler daha fazla transistör ekledi ve sonuç olarak zaman içinde daha fazla bireysel işlev veya sistem entegre edildi. İlk entegre devreler sadece birkaç cihazı, belki de on diyot , transistör , direnç ve kapasitör içeriyordu , bu da tek bir cihaz üzerinde bir veya daha fazla mantık kapısı üretmeyi mümkün kıldı . Şimdi geriye dönük olarak küçük ölçekli entegrasyon (SSI) olarak bilinen teknikteki gelişmeler, orta ölçekli entegrasyon (MSI) olarak bilinen yüzlerce mantık kapısına sahip cihazlara yol açtı . Daha fazla iyileştirme, büyük ölçekli entegrasyona (LSI), yani en az bin mantık kapısına sahip sistemlere yol açtı . Mevcut teknoloji bu işaretin çok ötesine geçti ve günümüzün mikroişlemcilerinde milyonlarca kapı ve milyarlarca bireysel transistör var.

Bir zamanlar, VLSI üzerindeki çeşitli büyük ölçekli entegrasyon düzeylerini adlandırma ve kalibre etme çabası vardı. Gibi terimler ultra büyük ölçekli entegrasyon (ULSI) kullanıldı. Ancak yaygın cihazlarda bulunan çok sayıda geçit ve transistör, bu tür ince ayrımları tartışmalı hale getirdi. VLSI entegrasyon seviyelerinden daha fazlasını öneren terimler artık yaygın olarak kullanılmamaktadır.

2008'de milyar transistörlü işlemciler ticari olarak kullanılabilir hale geldi. Bu, o zamanlar mevcut olan 65 nm proses neslinden yarı iletken üretimi ilerledikçe daha yaygın hale geldi . Mevcut tasarımlar, en eski cihazlardan farklı olarak , transistörleri yerleştirmek için kapsamlı tasarım otomasyonu ve otomatik mantık sentezi kullanır ve sonuçta ortaya çıkan mantık işlevselliğinde daha yüksek düzeyde karmaşıklık sağlar. SRAM ( statik rastgele erişimli bellek ) hücresi gibi belirli yüksek performanslı mantık blokları , en yüksek verimliliği sağlamak için hala elle tasarlanmaktadır.

Yapılandırılmış tasarım

Yapılandırılmış VLSI tasarımı, Carver Mead ve Lynn Conway tarafından ara bağlantı kumaşları alanını en aza indirerek mikroçip alanından tasarruf etmek için oluşturulan modüler bir metodolojidir . Bu, abutment ile kablolama kullanılarak birbirine bağlanabilen dikdörtgen makro blokların tekrar tekrar düzenlenmesiyle elde edilir . Bir örnek, bir toplayıcının düzenini bir dizi eşit bit dilimli hücreye bölmektir. Karmaşık tasarımlarda bu yapılandırma hiyerarşik iç içe yerleştirme ile sağlanabilir.

Yapılandırılmış VLSI tasarımı 1980'lerin başında popülerdi, ancak daha sonra yerleştirme ve yönlendirme araçlarının ortaya çıkması nedeniyle popülerliğini kaybetti ve Moore Yasası'nın ilerlemesi nedeniyle tolere edilen yönlendirme ile çok fazla alanı boşa harcadı . Tanıtılırken donanım tanımlama dili ortasında KARL '1970'lerin, Reiner Hartenstein yankılanan, (aslında 'yapılandırılmış LSI tasarım' gibi) 'VLSI tasarım yapılı' terimini Edsger Dijkstra s' yapısal programlama kaotik önlemek için iç içe prosedür ile yaklaşım spagetti yapılandırılmış programlar.

Zorluklar

Teknoloji ölçeklendirmesi nedeniyle mikroişlemciler daha karmaşık hale geldikçe , mikroişlemci tasarımcıları, onları tasarım düzleminin ötesinde düşünmeye ve silikon sonrası geleceğe bakmaya zorlayan çeşitli zorluklarla karşılaştı:

  • Proses varyasyonuFotolitografi teknikleri, optiğin temel yasalarına yaklaştıkça, doping konsantrasyonlarında ve kazınmış tellerde yüksek doğruluk elde etmek daha zor hale geliyor ve varyasyon nedeniyle hatalara açık hale geliyor. Tasarımcılar artık bir çipin üretime hazır olarak onaylanmasından önce birden fazla üretim süreci köşesini simüle etmeli veya varyasyon etkileriyle başa çıkmak için sistem düzeyinde teknikler kullanmalıdır.
  • Daha katı tasarım kuralları – Ölçeklemeyle ilgili litografi ve aşındırma sorunları nedeniyle, mizanpaj için tasarım kuralı kontrolü giderek daha sıkı hale geldi. Tasarımcılar, özel devreler düzenlerken sürekli artan bir kurallar listesini akıllarında tutmalıdır. Özel tasarım için ek yük, birçok tasarım evinin tasarım süreçlerini otomatikleştirmek için elektronik tasarım otomasyonu (EDA) araçlarına geçmeyi tercih etmesiyle artık bir devrilme noktasına ulaşıyor .
  • Zamanlama/tasarım kapanışı Saat frekansları artma eğiliminde olduğundan, tasarımcılartüm çip boyunca bu yüksek frekanslı saatler arasındadüşük saat çarpıklığını dağıtmayı ve korumayı daha zor buluyor. Bu, çok çekirdekli ve çok işlemcili mimarilere olanilginin artmasına neden oldu, çünkütüm çekirdeklerin hesaplama gücü kullanılarak daha düşük saat frekansında bile genel bir hızlanma elde edilebilir.
  • İlk geçişte başarıKalıp boyutları küçüldükçe (ölçeklendirme nedeniyle) ve gofret boyutları arttıkça (düşük üretim maliyetleri nedeniyle), gofret başına kalıp sayısı artar ve uygun fotomaske yapma karmaşıklığı hızla artar. Modern bir teknoloji için ayarlanmış bir maske birkaç milyon dolara mal olabilir. Bu yinelenmeyen masraf, silikondaki hataları bulmak için birkaç "dönüş döngüsü" içeren eski yinelemeli felsefeyi caydırır ve ilk geçiş silikon başarısını teşvik eder. Üretim için tasarım ( DFM ), test için tasarım ( DFT ) ve X için Tasarım dahil olmak üzere, bu yeni tasarım akışına yardımcı olmak için çeşitli tasarım felsefeleri geliştirilmiştir .
  • elektrogöç

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar