Очень масштабная интеграция
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( сентябрь 2010 г. ) |
Очень крупномасштабная интеграция ( СБИС ) — это процесс создания интегральной схемы (ИС) путем объединения миллионов или миллиардов на МОП-транзисторов одном кристалле. СБИС возникла в 1970-х годах, когда были разработаны и затем широко распространены микросхемы МОП-интегральных схем (металл-оксид-полупроводник), что позволило реализовать сложные полупроводниковые и телекоммуникационные технологии. Микропроцессор являются и микросхемы памяти устройствами СБИС.
До внедрения технологии СБИС большинство микросхем имели ограниченный набор функций, которые они могли выполнять. Электронная схема может состоять из ЦП , ПЗУ , ОЗУ и другой связующей логики . СБИС позволяет разработчикам интегральных схем объединить все это в один чип .
История
[ редактировать ]Фон
[ редактировать ]История транзисторов восходит к 1920-м годам, когда несколько изобретателей попытались создать устройства, предназначенные для управления током в твердотельных диодах и преобразования их в триоды. Успех пришел после Второй мировой войны, когда использование кристаллов кремния и германия в качестве радар-детекторов привело к усовершенствованию производства и теории. Ученые, работавшие над радаром, вернулись к разработке твердотельных устройств. С изобретением первого транзистора в Bell Labs в 1947 году область электроники перешла от электронных ламп к полупроводниковым устройствам . [1]
Имея в руках небольшой транзистор, инженеры-электрики 1950-х годов увидели возможности создания гораздо более совершенных схем. Однако по мере роста сложности схем возникли проблемы. [2] Одной из проблем был размер схемы. Сложная схема, такая как компьютер, зависела от скорости. Если компоненты были большими, соединяющие их провода должны быть длинными. Электрическим сигналам требовалось время, чтобы пройти через цепь, что замедляло работу компьютера. [2]
Изобретение интегральной схемы и Джеком Килби Робертом Нойсом решило эту проблему, сделав все компоненты и микросхему из одного блока (монолита) полупроводникового материала. Схемы можно было бы сделать меньше, а производственный процесс можно было бы автоматизировать. Это привело к идее объединить все компоненты на монокристаллической кремниевой пластине, что привело к маломасштабной интеграции (SSI) в начале 1960-х годов, а затем к среднемасштабной интеграции (MSI) в конце 1960-х годов.
СБИС
[ редактировать ]Компания General Microelectronics представила первую коммерческую МОП- интегральную схему в 1964 году. [3] В начале 1970-х годов технология интегральных схем МОП позволила объединить более 10 000 транзисторов в одном кристалле. [4] Это проложило путь к СБИС в 1970-х и 1980-х годах с десятками тысяч МОП-транзисторов на одном кристалле (позже сотни тысяч, затем миллионы, а теперь и миллиарды).
Первые полупроводниковые чипы содержали по два транзистора каждый. Последующие достижения добавили больше транзисторов, и, как следствие, со временем было интегрировано больше отдельных функций или систем. Первые интегральные схемы содержали всего несколько устройств, возможно, до десяти диодов , транзисторов , резисторов и конденсаторов , что позволяло изготавливать один или несколько логических элементов на одном устройстве. Усовершенствования техники, теперь известные ретроспективно как малая интеграция (SSI), привели к созданию устройств с сотнями логических элементов, известных как среднемасштабная интеграция (MSI). Дальнейшие улучшения привели к крупномасштабной интеграции (LSI), то есть к системам как минимум с тысячей логических элементов. Современные технологии продвинулись далеко за эту отметку, и сегодняшние микропроцессоры имеют многие миллионы вентилей и миллиарды отдельных транзисторов.
В свое время предпринимались попытки назвать и откалибровать различные уровни крупномасштабной интеграции выше СБИС. Были использованы такие термины, как сверхкрупномасштабная интеграция (ULSI). Но огромное количество вентилей и транзисторов, доступных в обычных устройствах, сделало такие тонкие различия спорными. Термины, предполагающие более высокий уровень интеграции, чем СБИС, больше не широко используются.
В 2008 году процессоры с миллиардом транзисторов стали коммерчески доступны. Это стало более распространенным явлением по мере того, как производство полупроводников вышло за рамки нынешнего поколения процессоров 65 нм . Современные конструкции, в отличие от самых ранних устройств, используют обширную автоматизацию проектирования и автоматизированный логический синтез для компоновки транзисторов, что обеспечивает более высокий уровень сложности получаемой логической функциональности. Некоторые высокопроизводительные логические блоки, такие как ячейка SRAM ( статическая оперативная память ), по-прежнему разрабатываются вручную, чтобы обеспечить максимальную эффективность. [ нужна ссылка ]
Структурированный дизайн
[ редактировать ]Структурированная конструкция СБИС — это модульная методология, разработанная Карвером Мидом и Линн Конвей для экономии площади микрочипа за счет минимизации площади межсоединений. Это достигается путем повторяющегося расположения прямоугольных макроблоков, которые можно соединить между собой с помощью проводки с помощью абатмента . Примером является разделение схемы сумматора на ряд ячеек с равными битовыми срезами. В сложных проектах такое структурирование может быть достигнуто за счет иерархической вложенности. [5]
Структурированная конструкция СБИС была популярна в начале 1980-х годов, но позже потеряла свою популярность. [ нужна ссылка ] из-за появления инструментов размещения и маршрутизации тратится много места при маршрутизации , что допускается из-за прогресса закона Мура . Представляя язык описания аппаратного обеспечения KARL в середине 1970-х годов, Райнер Хартенштейн ввёл термин «проектирование структурированной СБИС» (первоначально как «проектирование структурированной БИС»), перекликаясь с Эдсгера Дейкстры путем подходом структурированного программирования вложения процедур, чтобы избежать хаотичной структуры спагетти. программы.
Трудности
[ редактировать ] |
Поскольку микропроцессоры становятся более сложными из-за масштабирования технологий , разработчики микропроцессоров столкнулись с рядом проблем, которые вынуждают их мыслить за пределами плоскости проектирования и смотреть в будущее на пост-кремниевые технологии:
- Изменение процесса . По мере того, как методы фотолитографии приближаются к фундаментальным законам оптики, достижение высокой точности в концентрации легирующих примесей и травлении проводов становится все более трудным и подвержено ошибкам из-за изменений. Разработчикам теперь приходится моделировать различные этапы производственного процесса, прежде чем чип будет сертифицирован и готов к производству, или использовать методы системного уровня для борьбы с эффектами вариаций.
- Более строгие правила проектирования . Из-за проблем с литографией и травлением при масштабировании проверка правил проектирования для макета становится все более строгой. Проектировщики должны помнить о постоянно растущем списке правил при проектировании нестандартных схем. Накладные расходы на индивидуальное проектирование сейчас достигают переломного момента, и многие дизайнерские бюро предпочитают перейти на инструменты автоматизации электронного проектирования (EDA) для автоматизации своего процесса проектирования.
- Закрытие синхронизации/проектирования . Поскольку тактовые частоты имеют тенденцию к увеличению, разработчикам становится все труднее распределять и поддерживать низкий рассогласование тактовых импульсов между этими высокочастотными тактовыми сигналами по всему чипу. Это привело к росту интереса к многоядерным и многопроцессорным архитектурам, поскольку общее ускорение можно получить даже при более низкой тактовой частоте за счет использования вычислительной мощности всех ядер.
- Успех с первого прохода . Поскольку размеры кристаллов уменьшаются (из-за масштабирования), а размеры пластин увеличиваются (из-за снижения производственных затрат), количество штампов на пластину увеличивается, а сложность изготовления подходящих фотошаблонов быстро возрастает. Набор масок по современной технологии может стоить несколько миллионов долларов. Эти единовременные расходы сдерживают старую итеративную философию, включающую несколько «циклов вращения» для поиска ошибок в кремнии, и способствуют успеху кремния с первого прохода. Для облегчения этого нового процесса проектирования было разработано несколько философий проектирования, включая проектирование для производства ( DFM ), проектирование для испытаний ( DFT ) и проектирование для X.
- Электромиграция
См. также
[ редактировать ]- Интегральная схема для конкретного применения
- Космический куб Калифорнийского технологического института
- Логическая модель интерфейса
- Список заводов по производству полупроводников
- Революция в разработке микросхем СБИС Мида-Конвея
- Нейроморфная инженерия
- Поликристаллический кремний
- Система на кристалле (SoC)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Зорпетт, Гленн (20 ноября 2022 г.). «Как работал первый транзистор» . IEEE-спектр .
- ^ Jump up to: а б «История интегральной схемы» . Нобелевская премия.org. Архивировано из оригинала 29 июня 2018 года . Проверено 21 апреля 2012 г.
- ^ «1964: Представлена первая коммерческая МОП-ИС» . Музей истории компьютеров .
- ^ Хиттингер, Уильям К. (1973). «Технология металл-оксид-полупроводник». Научный американец . 229 (2): 48–59. Бибкод : 1973SciAm.229b..48H . doi : 10.1038/scientificamerican0873-48 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24923169 .
- ^ Джайн, БК (август 2009 г.). Цифровая электроника — современный подход Б. К. Джайн . ISBN 9788182202153 . Проверено 2 мая 2017 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Бейкер, Р. Джейкоб (2010). КМОП: схемотехника, компоновка и моделирование, третье издание . Wiley-IEEE. стр. 1174 . ISBN 978-0-470-88132-3 . http://CMOSedu.com/
- Весте, Нил Х.Э. и Харрис, Дэвид М. (2010). Проектирование СБИС КМОП: взгляд на схемы и системы, четвертое издание . Бостон: Пирсон/Аддисон-Уэсли. п. 840. ИСБН 978-0-321-54774-3 . http://CMOSVLSI.com/
- Чен, Вай-Кай (2007). Справочник по СБИС . Бока-Ратон, Флорида: CRC/Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-1-4200-0596-7 . OCLC 83977431 .
- Мид, Карвер А. и Конвей, Линн (1980). Введение в системы СБИС . Бостон: Аддисон-Уэсли. ISBN 0-201-04358-0 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
