Проект VLSI: Революция в микроэлектронике и зарождение новых технологий.

Введение

Проект VLSI был программой DARPA, инициированной Робертом Каном в 1978 году, которая предоставляла финансирование для исследований широкому кругу университетских групп с целью улучшения современного уровня в области разработки микропроцессоров, тогда известной как интеграция сверхбольшой степени (Very Large Scale Integration, VLSI). Проект VLSI является одним из самых влиятельных исследовательских проектов в современной истории вычислительной техники. Среди его результатов – Berkeley Software Distribution (BSD) Unix, концепция процессора с упрощенным набором команд (RISC), множество инструментов автоматизированного проектирования (CAD), используемых и сегодня, 32-битные графические рабочие станции, компании, специализирующиеся на разработке и производстве полупроводников без собственного производства, а также собственное производство полупроводников (fab) MOSIS, запущенное в 1981 году. Похожий проект DARPA, реализованный в партнерстве с промышленностью, VHSIC, оказал незначительное или вообще никакого влияния. Проект VLSI сыграл ключевую роль в распространении революции Мида и Конвея в промышленности.

Новые правила проектирования

В 1975 году Карвер Мид, Том Эверхарт и Иван Сазерленд из Калифорнийского технологического института написали доклад для ARPA на тему микроэлектроники. За последние несколько лет Мид ввел термин «закон Мура», чтобы описать предсказание Гордона Мура 1965 года о темпах роста сложности, а в 1974 году Роберт Деннард из IBM отметил, что уменьшение масштаба, лежащее в основе закона Мура, также влияло на производительность систем. Эти совместные эффекты подразумевали, что в отрасли вскоре произойдет резкий скачок вычислительной мощности. В докладе, опубликованном в 1976 году, предлагалось, чтобы ARPA финансировала разработки в ряде областей для решения проблем, связанных со сложностью, которая должна была возникнуть в связи с этими «сверхбольшими интегральными схемами». Позже в том же году Сазерленд написал письмо своему брату Берту, который в то время работал в Xerox PARC. Он предложил совместную работу между PARC и Caltech для изучения этих вопросов. Берт согласился сформировать команду, пригласив Линн Конвей и Дага Фейрберна присоединиться. Ранее Конвей работала в IBM над проектом суперкомпьютера, известного как ACS 1. После изучения заметок Мида Конвей поняла, что быстрое масштабирование CMOS позволит ему превзойти более быстрые системы ECL, используемые в более крупных системах, по мере уменьшения размеров элементов и вступления в силу прогнозов Деннарда о скорости. Это также подразумевало, что весь мейнфрейм ACS 1 однажды поместится на одном чипе. В 1976 году Сазерленд и Мид опубликовали статью в Scientific American о проблемах, связанных с новой сложностью. В то время разработка микропроцессоров достигла плато на уровне 100 000 транзисторов, поскольку инструменты, доступные разработчикам, просто не могли справиться с более сложными конструкциями. На рынок выходили 16-битные и 16/32-битные модели, но дальнейшее развитие казалось слишком сложным и дорогим. Мид и Конвей считали, что нет теоретических проблем, препятствующих прогрессу, а лишь ряд практических, и приступили к их решению, чтобы сделать возможными гораздо более сложные конструкции. Проще говоря, решение заключалось в упрощении всего, изобретении новых практических правил для разработчиков и применении компьютеров для решения более масштабных задач. Этому процессу способствовало недавнее внедрение логики NMOS с каналом обеднения, которое значительно упростило концептуальную модель активных элементов. Середина 1970-х годов была периодом быстрых изменений, когда новые процессы внедрялись в различных компаниях быстрыми темпами. Каждый новый процесс приводил к набору правил проектирования, который часто насчитывал 40 страниц. Они включали в себя такие детали, как «не размещайте параллельные линии на слое металлизации (MET) ближе, чем на 2 микрометра друг к другу». Для каждого слоя были разработаны десятки таких правил, чтобы добиться максимальной производительности. В начале 1977 года Конвей начала разрабатывать новый набор полностью универсальных правил. Они не обеспечивали бы максимальную производительность для любой конкретной системы, но ее идея заключалась в том, что это значительно сократит время проектирования, что позволит адаптировать их к новым технологиям производства с минимальными или нулевыми изменениями, и такой шаг принесет во много раз больше преимуществ в производительности, чем использование всех опубликованных приемов существующих правил. Начиная с трех цветных маркеров для доски, представляющих каждый тип слоев – MET, POLY, DIFF, Конвей разработала набор правил проектирования, которые работали на каждом текущем процессе. Дальнейшая разработка привела к пониманию того, что все размеры можно выразить как кратные некоторому фундаментальному минимальному размеру элемента, достижимому с использованием этого процесса, который стал известен как λ (греческая буква лямбда). λ была установлена равной половине минимальной ширины линии POLY или DIFF, и правила выражались в этих терминах: «линия должна быть шириной два λ», «две линии на одном слое должны быть на расстоянии не менее трех λ», «линии на разных слоях должны быть на расстоянии один λ» и так далее. В результате получился короткий набор правил проектирования, применимых в любом масштабе. Конвей позже отметила: «Я отчетливо помню, как челюсть Мида отвисла тем весенним утром 1977 года, когда я представила свою стратегию правил на основе λ на своей доске в PARC».

In 1975, Carver Mead, Tom Everhart and Ivan Sutherland of Caltech wrote a report for ARPA on the topic of microelectronics. Over the previous few years, Mead had coined the term "Moore's law" to describe Gordon Moore's 1965 prediction for the growth rate of complexity, and in 1974, Robert Dennard of IBM noted that the scale shrinking that formed the basis of Moore's law also affected the performance of the systems. These combined effects implied a massive increase in computing power was about to be unleashed on the industry. The report, published in 1976, suggested that ARPA fund development across a number of fields in order to deal with the complexity that was about to appear due to these "very large scale integrated circuits". Later that year, Sutherland wrote a letter to his brother Bert who was at that time working at Xerox PARC. He suggested a joint effort between PARC and Caltech to begin studying these issues. Bert agreed to form a team, inviting Lynn Conway and Doug Fairbairn to join. Conway had previously worked at IBM on a supercomputer project known as ACS 1. After considering the notes from Mead, Conway realized that the rapid scaling of CMOS being predicted would allow it to surpass the otherwise faster ECL systems used on larger systems as the feature sizes shrank and Dennard's speed predictions kicked in. It also implied that the entire ACS 1 mainframe would one day fit on a single chip. In 1976, Sutherland and Mead wrote an article in Scientific American on the challenges presented by the new complexity. At the time, microprocessor design was plateauing at the 100,000 transistor level because the tools available to the designers were simply unable to deal with more complex designs. 16 bit and 16/32 bit designs were coming to market, but beyond that seemed too difficult and expensive to contemplate. Mead and Conway felt that there was no theoretical problem impeding progress, simply a number of practical ones, and set about solving these in order to make much more complex designs possible. Simply put, the solution was to simplify everything, inventing new practical rules of thumb for designers and applying computers to the problems that were larger. This process was aided by the recent introduction of depletion mode NMOS logic, which greatly simplified the conceptual model of the active elements. The mid 1970s were a period of rapid change as new processes were being introduced at different companies at a rapid pace. Each new process led to a set of design rules that often ran to 40 pages. These would include details like "do not place to parallel lines on the metallization layer (MET) that are closer than 2 micrometers apart". Dozens of such rules were developed for each layer to squeeze out maximum performance. In early 1977, Conway began developing a new set of completely generic rules. These would not offer the highest performance possible for any given system, but her concept was that it would so greatly reduce design time that it could be adapted to a new underling fabrication technology with little or no changes, and such a move would offer many times the performance benefit that using every published trick of the existing rules would. Starting with three colored whiteboard pens representing each of the types of layers, MET, POLY, DIFF, Conway developed a set of design rules that worked on every current process. Further development led to the realization that all of the dimensions could be expressed as multiples of some fundamental minimum feature size possible using that process, which became known as λ (the Greek letter lambda). λ was set to be one half of the minimum width of a line of POLY or DIFF, and the rules expressed in those terms; "a line has to be two λ wide", "two lines on the same layer must be at least three λ apart", "lines on different layers must be one λ apart" and so forth. The end result was a short set of design rules that applied at any scale. Conway later noted "I vividly recall seeing Mead's jaw drop that spring morning in 1977 as I presented my strategy for λ based rules on my whiteboard at PARC."

Интернет-процесс

Одной из основных задач в рамках VLSI было создание аппаратного и программного обеспечения, необходимого для автоматизации процесса проектирования, который к тому времени оставался преимущественно ручным. Для проекта, содержащего сотни тысяч транзисторов, не существовало машины, кроме суперкомпьютера, обладающей достаточной памятью и производительностью для работы с проектом в целом. Чтобы решить эту проблему и сделать автоматизированные инструменты доступными для "средних" компаний, VLSI профинансировала проекты Geometry Engine и Pixel Planes в Стэнфордском университете и Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл (соответственно) для создания подходящего графического оборудования настольного уровня. Первый из них развился в попытку создать сетевую CAD-рабочую станцию, известную как Stanford University Network. Сегодня она более известна под аббревиатурой SUN, как в Sun Microsystems, которая коммерциализировала эту разработку. Для обеспечения общей программной платформы для работы с этими новыми инструментами VLSI также профинансировала проект в Беркли по созданию стандартизированной реализации Unix, известной сегодня как Berkeley Software Distribution (BSD). Почти все ранние рабочие станции использовали BSD, включая разработки, которые привели к созданию Sun, SGI, Apollo Computer и других. BSD впоследствии породила несколько производных дистрибутивов: OpenBSD, FreeBSD, NetBSD и DragonFlyBSD. Программное обеспечение CAD было важной частью усилий VLSI, что привело к существенным улучшениям в технологиях CAD для трассировки, проверки правил проектирования и моделирования. Инструменты, разработанные в рамках этой программы, широко использовались как в академических исследованиях, так и в промышленности. Компании VLSI Technology, Cadnetix и Synopsis разработали коммерческие реализации этих идей. Благодаря этим инструментам другие проекты, финансируемые VLSI, смогли добиться значительного прогресса в сложности проектирования, положив начало RISC-революции. Два основных проекта, связанных с VLSI, — Berkeley RISC и Stanford MIPS, оба из которых в значительной степени опирались на инструменты, разработанные в предыдущих проектах VLSI. Чтобы проектные команды могли создавать тестовые образцы, проект также профинансировал строительство собственного производственного предприятия MOSIS (Metal Oxide Semiconductor Implementation Service), которое получало проектную документацию в электронном виде. MOSIS продолжает функционировать и сегодня. Важной частью производственного процесса MOSIS стала разработка многочиповых пластин, позволяющих использовать одну кремниевую пластину для одновременного производства нескольких проектов чипов. Ранее пластина обычно использовалась для производства одного проекта, что означало наличие определенного минимального объема производства для начала. В отличие от этого, многочиповая пластина позволяла изготовить небольшую партию дизайна чипа в рамках более крупного производственного цикла, значительно снижая затраты на запуск и этап прототипирования.

One of the primary efforts under VLSI was the creation of the hardware and software needed to automate the design process, which at that point was still largely manual. For a design containing hundreds of thousands of transistors, there was simply no machine short of a supercomputer that had the memory and performance needed to work on the design as a whole. To address this problem, and thereby allow "average" companies to use automated tools, VLSI funded the Geometry Engine and Pixel Planes projects at Stanford University and University of North Carolina at Chapel Hill (respectively) to create suitable graphics hardware at the desktop level. The former evolved into an effort to design a networked CAD workstation, known as the Stanford University Network. This is better known today under its acronym, "SUN", as in Sun Microsystems, which commercialized the design. To provide a common software platform to run these new tools, VLSI also funded a Berkeley project to provide a standardized Unix implementation, known today as the Berkeley Software Distribution (BSD). Almost all early workstations used BSD, including designs that evolved into Sun, SGI, Apollo Computer, and others. BSD later spawned several descendants, OpenBSD, FreeBSD, NetBSD, and DragonFlyBSD. CAD software was an important part of the VLSI effort. This led to major improvements in CAD technology for layout, design rule checking, and simulation. The tools developed in this program were used extensively in both academic research programs and in industry. The ideas were developed in commercial implementations by companies such as VLSI Technology, Cadnetix, and Synopsis. With these tools in hand, other VLSI funded projects were able to make huge strides in design complexity, sparking off the RISC revolution. The two major VLSI related projects were Berkeley RISC and Stanford MIPS, both of which relied heavily on the tools developed in previous VLSI projects. To allow design teams to produce test examples, the project also funded the building of their own fabrication facility, MOSIS (Metal Oxide Semiconductor Implementation Service), which received plans electronically. MOSIS remains in operation today. Another important part of the MOSIS fabrication process was the development of the multichip wafer, which allowed a single wafer of silicon to be used to produce several chip designs at the same time. Previously a wafer would normally be used to produce a single design, which meant that there was a definite minimum production run one could consider starting up. In contrast, the multichip wafer a small batch of a chip design could be produced in the middle of a larger run, dramatically lowering the startup cost and prototyping stage.