Größtintegration (VLSI) ist der Prozess, integrierte Stromkreise durch das Kombinieren von Tausenden von Transistoren in einen einzelnen Span zu schaffen. VLSI hat in den 1970er Jahren begonnen, als komplizierter Halbleiter und Nachrichtentechnologien entwickelt wurden. Der Mikroprozessor ist ein VLSI Gerät.

Geschichte

Während der 1920er Jahre haben mehrere Erfinder Geräte versucht, die beabsichtigt waren, um den Strom in Dioden des festen Zustands zu kontrollieren und sie in Trioden umzuwandeln. Erfolg musste jedoch bis Zweiten Weltkrieg warten, während dessen der Versuch, Silikon und Germanium-Kristalle für den Gebrauch weil zu verbessern, Radardetektoren zu Verbesserungen sowohl in der Herstellung als auch im theoretischen Verstehen des Quants mechanische Staaten von Transportunternehmen in Halbleitern geführt haben, und nach dem die Wissenschaftler, die zur Radarentwicklung abgelenkt worden waren, zur Gerät-Entwicklung des festen Zustands zurückgekehrt sind. Mit der Erfindung von Transistoren an Laboratorien von Bell, 1947, hat das Feld der Elektronik eine neue Richtung bekommen, die sich von der Macht bewegt hat, die Vakuumtuben zu Geräten des festen Zustands verbraucht.

Mit dem kleinen und wirksamen Transistor an ihren Händen haben Elektroingenieure der 50er Jahre die Möglichkeiten gesehen, viel fortgeschrittenere Stromkreise zu bauen, als vorher. Jedoch, weil die Kompliziertheit der Stromkreise gewachsen ist, haben Probleme angefangen zu entstehen.

Ein anderes Problem war die Größe der Stromkreise. Ein komplizierter Stromkreis, wie ein Computer, war von der Geschwindigkeit abhängig. Wenn die Bestandteile des Computers zu groß waren oder die Leitungen, die sie zu lange miteinander verbinden, konnten die elektrischen Signale nicht schnell genug durch den Stromkreis reisen, so den Computer lassend, auch sich verlangsamen, um wirksam zu sein.

Jack Kilby an Instrumenten von Texas hat eine Lösung dieses Problems 1958 gefunden. Die Idee von Kilby war, alle Bestandteile und den Span aus demselben Block (Monolith) des Halbleiter-Materials zu machen. Als der Rest der Arbeiter vom Urlaub zurückgekehrt ist, hat Kilby seine neue Idee seinen Vorgesetzten präsentiert. Ihm wurde erlaubt, eine Testversion seines Stromkreises zu bauen. Im September 1958 hatte er seinen ersten einheitlichen bereiten Stromkreis.

Obwohl der erste einheitliche Stromkreis ziemlich grob war und einige Probleme hatte, war die Idee groundbreaking. Durch das Bilden aller Teile aus demselben Block des Materials und das Hinzufügen vom Metall musste sie als eine Schicht obendrein verbinden, es gab kein Bedürfnis mehr nach individuellen getrennten Bestandteilen. Keine Leitungen mehr und Bestandteile mussten manuell gesammelt werden. Die Stromkreise konnten kleiner gemacht werden, und das Fertigungsverfahren konnte automatisiert werden. Von hier ist die Idee, alle Bestandteile auf einer einzelnen Silikonoblate zu integrieren, entstanden, und der zu Entwicklung in Small Scale Integration (SSI) am Anfang der 1960er Jahre, Medium Scale Integration (MSI) gegen Ende der 1960er Jahre, Large Scale Integration (LSI) und am Anfang der 1980er Jahre VLSI 10,000s Transistoren auf einem Span (später 100,000s & jetzt 1,000,000s) geführt hat.

Entwicklungen

Die ersten Halbleiter-Chips haben zwei Transistoren jeden gehalten. Nachfolgende Fortschritte haben immer mehr Transistoren, und demzufolge hinzugefügt, mehr individuelle Funktionen oder Systeme wurden mit der Zeit integriert. Die ersten einheitlichen Stromkreise haben nur einige Geräte, vielleicht nicht weniger als zehn Dioden, Transistoren, Widerstände und Kondensatoren gehalten, es möglich machend, ein oder mehr Logiktore auf einem Einzelgerät zu fabrizieren. Jetzt bekannt zurückblickend als kleine Integration (SSI) haben Verbesserungen in der Technik zu Geräten mit Hunderten von Logiktoren geführt, die als Integration der mittleren Skala (MSI) bekannt sind. Weitere Verbesserungen haben zu groß angelegter Integration (LSI), d. h. Systemen mit mindestens eintausend Logiktoren geführt. Aktuelle Technologie hat sich weit vorbei an diesem Zeichen bewegt, und heutige Mikroprozessoren haben viele Millionen von Toren und Milliarden von individuellen Transistoren.

Auf einmal gab es eine Anstrengung, verschiedene Niveaus der groß angelegten Integration über VLSI zu nennen und zu kalibrieren. Begriffe wie groß ultraangelegte Integration (ULSI) wurden gebraucht. Aber die riesige Zahl von Toren und auf allgemeinen Geräten verfügbaren Transistoren hat solche feinen strittigen Unterscheidungen gemacht. Begriffe, die größer andeuten als VLSI Niveaus der Integration, sind nicht mehr im weit verbreiteten Gebrauch.

Bezüglich Anfangs 2008 ist Milliarde Transistor-Verarbeiter gewerblich verfügbar. Wie man erwartet, wird das mehr gewöhnlich, als sich Halbleiter-Herstellung von der aktuellen Generation von 65 Nm-Prozessen zu den folgenden 45 nm Generationen bewegt (während sie neue Herausforderungen wie vergrößerte Schwankung über Prozess-Ecken erfährt). Ein bemerkenswertes Beispiel ist die 280 Reihen von Nvidia GPU. Dieser GPU ist in der Tatsache einzigartig, dass fast alle seine 1.4 Milliarden Transistoren für die Logik im Gegensatz zu Itanium verwendet werden, dessen große Transistor-Zählung größtenteils wegen L3 seines geheimen 24-Mb-Lagers ist. Aktuelle Designs, verschieden von den frühsten Geräten, verwenden umfassende Designautomation und haben Logiksynthese automatisiert, um die Transistoren anzulegen, höhere Niveaus der Kompliziertheit in der resultierenden Logikfunktionalität ermöglichend. Bestimmte Hochleistungslogikblöcke wie der SRAM (Statisches Zufälliges Zugriffsgedächtnis) Zelle werden noch jedoch mit der Hand entworfen, um die höchste Leistungsfähigkeit (manchmal durch das Verbiegen oder das Brechen von gegründeten Designregeln zu sichern, das letzte Bit der Leistung durch die Handelsstabilität zu erhalten). VLSI Technologie geht an radikale Niveau-Miniaturisierung mit der Einführung der NEMS Technologie heran. Viele Probleme müssen erledigt werden, bevor der Übergang wirklich gemacht wird.

Strukturiertes Design

Strukturiertes VLSI Design ist eine Modulmethodik, die von Carver Mead und Lynn Conway hervorgebracht ist, um Mikrochip-Gebiet durch die Minderung des Verbindungsstoff-Gebiets zu sparen. Das wird durch die wiederholende Einordnung von rechteckigen Makroblöcken erhalten, die mit der Verdrahtung durch den Strebepfeiler miteinander verbunden werden können. Ein Beispiel verteilt das Lay-Out einer Viper in eine Reihe von gleichen Bit-Scheibe-Zellen. In komplizierten Designs kann diese Strukturierung durch das hierarchische Nisten erreicht werden.

Strukturiertes VLSI Design war am Anfang der 1980er Jahre populär gewesen, aber hatte seine Beliebtheit später wegen des Advents des Stellens und der Routenplanungswerkzeuge verloren, viel Gebiet durch die Routenplanung vergeudend, die wegen des Fortschritts des Gesetzes von Moore geduldet wird. Als er die Hardware-Beschreibungssprache KARL Mitte' die 1970er Jahre eingeführt hat, hat Reiner Hartenstein den Begriff ins Leben gerufen "hat VLSI Design" (ursprünglich wie "strukturiert, LSI Design") strukturiert, das Widerhallen von Edsger Dijkstra hat Programmierannäherung durch das Verfahren-Nisten strukturiert, um chaotische Spaghetti-strukturierte Programme zu vermeiden.

Herausforderungen

Da Mikroprozessoren komplizierter wegen des Technologieschuppens werden, sind Mikroprozessor-Entwerfer auf mehrere Herausforderungen gestoßen, die sie zwingen, außer dem Designflugzeug und Blick vorn zu Postsilikon zu denken:

• Macht-Verschwendung des Gebrauchs/Hitze - Als Schwellenstromspannungen hat aufgehört, mit der zunehmenden Prozess-Technologie zu klettern, dynamische Macht-Verschwendung hat proportional nicht geklettert. Das Aufrechterhalten der Logikkompliziertheit, wenn, das Design herunterschraubend, nur bedeutet, dass die Macht-Verschwendung pro Gebiet steigen wird. Das hat Techniken wie dynamische Stromspannung und Frequenz verursacht, die (DVFS) erklettert, um gesamte Macht zu minimieren.
• Prozess-Schwankung - Als Fotolithographie-Techniken neigt näher an den grundsätzlichen Gesetzen der Optik, das Erreichen hoher Genauigkeit im Doping von Konzentrationen und geätzten Leitungen wird schwieriger und anfällig für Fehler wegen der Schwankung. Entwerfer müssen jetzt über vielfache Herstellungsprozess-Ecken vortäuschen, bevor ein Span bereit zur Produktion bescheinigt wird.
• Strengere Designregeln - wegen des Steindruckverfahrens und ätzen Probleme mit dem Schuppen, Designregeln für das Lay-Out sind immer strenger geworden. Entwerfer müssen jemals mehr von diesen Regeln im Sinn während behalten, kundenspezifische Stromkreise anlegend. Die Gemeinkosten für das kundenspezifische Design erreichen jetzt einen Trinkgeld gebenden Punkt mit vielen Designhäusern, die sich dafür entscheiden, auf Werkzeuge der elektronischen Designautomation (EDA) umzuschalten, um ihren Designprozess zu automatisieren.
• Timing/Design des Verschlusses - Als Uhr-Frequenzen neigt dazu hoch zu schrauben, Entwerfer finden, dass es schwieriger, niedrige Uhr zu verteilen und aufrechtzuerhalten, zwischen diesen hohen Frequenzuhren über den kompletten Span verdreht. Das hat zu einem steigenden Interesse am Mehrkern und den Mehrverarbeiter-Architekturen geführt, da eine gesamte Beschleunigung durch das Senken der Uhr-Frequenz und das Verteilen der Verarbeitung erhalten werden kann.
• Erfolg des ersten Passes - Wie Größen sterben, weicht (wegen des Schuppens) zurück, und Oblate-Größen steigen (um Produktionskosten zu senken), die Zahl dessen stirbt pro Oblate-Zunahmen, und die Kompliziertheit, passende Fotomasken zu machen, steigt schnell. Ein Maske-Satz für eine moderne Technologie kann mehrere Millionen Dollar kosten. Dieser einmalige Aufwand schreckt die alte wiederholende Philosophie ab, die mit mehreren "Drehungszyklen" verbunden ist, um Fehler in Silikon zu finden, und fördert Silikonerfolg des ersten Passes. Mehrere Designphilosophien sind entwickelt worden, um diesem neuen Designfluss, einschließlich des Designs für die Herstellung (DFM), Designs für den Test (DFT) und Designs für X zu helfen.

Konferenzen

• ISSCC - IEEE internationale Halbleiterstromkreis-Konferenz
• CICC - IEEE Gewohnheit einheitliche Stromkreis-Konferenz
• ISCAS - IEEE internationales Symposium auf Stromkreisen und Systemen
• VLSI Stromkreise - IEEE Symposium auf VLSI Stromkreisen
• VLSI - IEEE internationale Konferenz für das VLSI Design
• DAC - Designautomationskonferenz
• ICCAD - internationale Konferenz für das computergestützte Design
• ISPD - internationales Symposium auf dem physischen Design
• ISQED - internationales Symposium auf der Qualität elektronisches Design
• DATUM - Designautomation und Test in Europa
• IEDM - IEEE internationale Elektrongeräte, die sich treffen
• NATTER-DAC - Asien und pazifische Süddesignautomationskonferenz

Siehe auch

• Anwendungsspezifischer einheitlicher Stromkreis
• Caltech kosmischer Würfel
• Designregeln, die überprüfen
• Elektronische Designautomation
• Polysilikon

Weiterführende Literatur

• http://CMOSedu.com /

• http://CMOSVLSI.com /

Außenverbindungen

• Vorträge auf dem Design und der Durchführung von VLSI Systemen an der braunen Universität
• Liste von VLSI Gesellschaften um die Welt
• Design von VLSI Systemen
• Vollenden Sie VLSI Designfluss