Кіріспе

Көптеген транзисторларды бір чипке біріктіру арқылы интегралды схеманы құру. Өте үлкен масштабтағы интеграция (VLSI) – миллиондаған немесе миллиардтаған MOS транзисторларын бір чипке біріктіру арқылы интегралды схема (IC) жасау процесі. VLSI 1970-ші жылдары MOS интегралды схемалары (металл-оксидті жартылай өткізгіш) чиптері жасалып, кеңінен қолданысқа енген кезде басталды, бұл күрделі жартылай өткізгіш және телекоммуникациялық технологиялардың дамуына мүмкіндік берді. Микропроцессорлар мен жад чиптері – VLSI құрылғылары. VLSI технологиясы енгізілгенге дейін көптеген интегралдық схемалар шектеулі функцияларды ғана орындай алатын. Электрондық схема процессор, ROM, RAM және басқа да қосымша логикалық тізбектерден тұруы мүмкін. VLSI интегралды схеманы жобалайтын инженерлерге осылардың бәрін бір чипке біріктіруге мүмкіндік береді.

Өмірбаян

Транзистордың тарихы 1920 жылдары бірнеше өнертапқыштардың қатты күйдегі диодтардағы токты басқаруға және оларды триодтарға айналдыруға бағытталған құрылғыларды жасау әрекеттерінен бастау алады. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін кремний мен германий кристалдарын радар детекторлары ретінде пайдалану өндіріс пен теорияны жетілдіруге мүмкіндік берді. Радарды зерттеген ғалымдар қатты күйдегі құрылғыларды дамытуға қайта оралды. 1947 жылы Bell Labs-те алғашқы транзистордың табылуы электроника саласын вакуумдық түтіктерден қатты күйдегі құрылғыларға көшіруге әкелді. 1950 жылдары қолдарында шағын транзистор болған инженерлер одан да күрделі схемаларды құру мүмкіндігін сезді. Дегенмен, схемалардың күрделілігі арта түскенде қиындықтар туды. Джек Килби мен Роберт Нойстің интегралды схеманы ойлап табуы бұл мәселені шешті, олар барлық компоненттер мен чипті жартылай өткізгіш материалдан жасалған бір блоктан (монолиттен) жасау арқылы оны іске асырды. Схемаларды кішірейтуге және өндіріс процесін автоматтандыруға болатын болды. Бұл барлық компоненттерді бір кристалл кремний пластинасына біріктіру идеясына әкелді, нәтижесінде 1960 жылдардың басында кішкентай масштабтағы интеграция (SSI) пайда болды, ал 1960 жылдардың соңында орта масштабтағы интеграция (MSI) енгізілді.

VLSI

General Microelectronics компаниясы 1964 жылы алғашқы коммерциялық MOS интегралды схемасын ұсынды. 1970 жылдардың басында MOS интегралды схема технологиясы бір чипте 10 000-нан астам транзисторды интеграциялауға мүмкіндік берді. Бұл 1970 және 1980 жылдары VLSI (көп масштабты интеграция) дәуіріне жол ашты, онда бір чипте ондаған мыңдаған MOS транзисторлары (кейін жүздеген мың, содан кейін миллион, қазір миллиард) орналастырылды. Алғашқы жартылай өткізгіш чиптер әрқайсысында екі транзистордан тұрды. Келесі жетістіктер транзисторлар санын арттырды, нәтижесінде уақыт өте келе көбірек жеке функциялар немесе жүйелер біріктірілді. Алғашқы интегралдық схемалар тек бірнеше құрылғыны қамтыды, мүмкін онға дейін диодтар, транзисторлар, резисторлар және конденсаторлар, бұл бір құрылғыда бір немесе бірнеше логикалық қақпаларды жасауға мүмкіндік берді. Қазір шағын масштабты интеграция (SSI) деп белгілі, техниканың жақсаруы орта масштабты интеграция (MSI) деп аталатын жүздеген логикалық қақпалары бар құрылғыларға әкелді. Одан әрі жетілдірулер үлкен масштабты интеграцияға (LSI) алып келді, яғни кем дегенде мың логикалық қақпасы бар жүйелерге. Қазіргі технология бұл шектен әлдеқайда асып түсті, қазіргі микропроцессорларда миллиондаған қақпалар мен миллиардтаған жеке транзисторлар бар. Бір кезде VLSI-ден жоғарырақ масштабтағы интеграцияның әртүрлі деңгейлерін атауға және бағалауға әрекет жасалды. Өте үлкен масштабты интеграция (ULSI) сияқты терминдер қолданылды. Бірақ, кең таралған құрылғылардағы қақпалар мен транзисторлардың көп саны мұндай нақты айырмашылықтарды мағынасыз етіп қойды. VLSI деңгейінен жоғары интеграция деңгейін көрсететін терминдер енді кеңінен қолданылмайды. 2008 жылы миллиард транзисторлы процессорлар коммерциялық түрде қолжетімді болды. Бұл жартылай өткізгіш өндіріс 65 нм процессорлардың сол кездегі буынынан алға жылжыған сайын жиірек кездесетін болды. Қазіргі дизайн, ең алғашқы құрылғылардан айырмашылығы, транзисторларды орналастыру үшін кең ауқымды дизайнды автоматтандыру және автоматтандырылған логикалық синтезді пайдаланады, бұл нәтижедегі логикалық функционалдықтың жоғары деңгейіне мүмкіндік береді. Кейбір жоғары өнімді логикалық блоктар, мысалы SRAM (статикалық кездейсоқ сәйкес жад) жасушасы, әлі де ең жоғары тиімділікті қамтамасыз ету үшін қолмен жобаланады.

Құрылымдық жобалау

Құрылымдық VLSI дизайны — Карвер Мид пен Линн Конвей ұсынған, микрочиптердің ауданын үнемдеу үшін, өзара байланыс тізбегінің ауданын азайтуға бағытталған модульдік әдістеме. Бұл тікбұрышты макроблоктарды қайталап орналастыру арқылы қол жеткізіледі, оларды сызықтар арқылы тікелей қосу арқылы байланыстыруға болады. Мысалы, қосу құрылғысының схемасын тең біт кесінді жасушаларының қатарына бөлуге болады. Күрделі дизайн жағдайында, мұндай құрылымдық ұйымдастыру иерархиялық ұялау арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Құрылымдық VLSI дизайны 1980-ші жылдардың басында кең таралған, бірақ кейіннен орналастыру және маршрутизация құралдарының пайда болуына байланысты, маршрутизацияда көп орынды ысыраптап, танымалдылығын жоғалтты. Бұл Мур заңының прогресіне байланысты қабылданатын жағдай. 1970-ші жылдардың ортасында аппараттық сипаттама тілі KARL-ді енгізген кезде Райнер Хартенштейн «құрылымдық VLSI дизайны» (алғашқыда «құрылымдық LSI дизайны») терминін қолданды, бұл Эдсгер Дайкстраның процедуралық ұялау арқылы хаотикалық «спагетти» бағдарламаларын болдырмауға бағытталған құрылымдық бағдарламалау тәсілін қайталайды.