Сверхбольшая интеграция: от транзистора к микросхеме
Very-large-scale integration
КВМО (Сверхбольшая интеграция) – создание микросхем с миллионами транзисторов. Технология, появившаяся в 70-х, лежит в основе микропроцессоров и памяти.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Создание интегральной схемы путем объединения множества транзисторов в один чип.
Creating an integrated circuit by combining many transistors into a single chip
Очень крупномасштабная интеграция (VLSI) – это процесс создания интегральной схемы (ИС) путем объединения миллионов или миллиардов МОП-транзисторов (Metal Oxide Semiconductor) на одном чипе. VLSI началась в 1970-х годах, когда чипы интегральных схем на МОП-транзисторах были разработаны и получили широкое распространение, что позволило создать сложные полупроводниковые и телекоммуникационные технологии. Микропроцессоры и чипы памяти являются устройствами, созданными по технологии VLSI. До появления технологии VLSI большинство ИС имели ограниченный набор выполняемых функций. Электронная схема могла состоять из центрального процессора, ПЗУ, оперативной памяти и дополнительной логики. VLSI позволяет разработчикам ИС объединить все эти компоненты в одном чипе.
Very large scale integration (VLSI) is the process of creating an integrated circuit (IC) by combining millions or billions of MOS transistors onto a single chip. VLSI began in the 1970s when MOS integrated circuit (Metal Oxide Semiconductor) chips were developed and then widely adopted, enabling complex semiconductor and telecommunication technologies. The microprocessor and memory chips are VLSI devices. Before the introduction of VLSI technology, most ICs had a limited set of functions they could perform. An electronic circuit might consist of a CPU, ROM, RAM and other glue logic. VLSI enables IC designers to add all of these into one chip.
Предыстория
История транзистора начинается в 1920-х годах, когда несколько изобретателей пытались создать устройства для управления током в твердотельных диодах и превращения их в триоды. Успех пришел после Второй мировой войны, когда использование кристаллов кремния и германия в качестве детекторов радаров привело к усовершенствованию технологий производства и теории. Ученые, работавшие над разработкой радаров, вернулись к разработке твердотельных устройств. Изобретение первого транзистора в лабораториях Белла в 1947 году ознаменовало переход электроники от вакуумных ламп к твердотельным устройствам. Имея в распоряжении компактный транзистор, инженеры-электрики 1950-х годов увидели возможность создания гораздо более сложных схем. Однако с ростом сложности схем возникали новые проблемы. Изобретение интегральной схемы Джеком Килби и Робертом Нойсом решило эту проблему, позволив изготавливать все компоненты и саму микросхему из единого блока (монолита) полупроводникового материала. Это позволило уменьшить размеры схем и автоматизировать производственный процесс. Это привело к идее интеграции всех компонентов на одной кристаллической кремниевой пластине, что положило начало интеграции малого масштаба (SSI) в начале 1960-х годов, а затем интеграции среднего масштаба (MSI) в конце 1960-х годов.
The history of the transistor dates to the 1920s when several inventors attempted devices that were intended to control current in solid state diodes and convert them into triodes. Success came after World War II, when the use of silicon and germanium crystals as radar detectors led to improvements in fabrication and theory. Scientists who had worked on radar returned to solid state device development. With the invention of the first transistor at Bell Labs in 1947, the field of electronics shifted from vacuum tubes to solid state devices. With the small transistor at their hands, electrical engineers of the 1950s saw the possibilities of constructing far more advanced circuits. However, as the complexity of circuits grew, problems arose. The invention of the integrated circuit by Jack Kilby and Robert Noyce solved this problem by making all the components and the chip out of the same block (monolith) of semiconductor material. The circuits could be made smaller, and the manufacturing process could be automated. This led to the idea of integrating all components on a single crystal silicon wafer, which led to small scale integration (SSI) in the early 1960s, and then medium scale integration (MSI) in the late 1960s.
VLSI
В 1964 году компания General Microelectronics представила первую коммерческую интегральную схему MOS. В начале 1970-х годов технология интегральных схем MOS позволила интегрировать более 10 000 транзисторов в один чип. Это проложило путь для СБИС (сверхбольшой интеграции) в 1970-х и 1980-х годах, с десятками тысяч транзисторов MOS на одном чипе (позже сотни тысяч, затем миллионы, а теперь миллиарды). Первые полупроводниковые чипы содержали по два транзистора каждый. Последующие достижения добавили больше транзисторов, и, как следствие, с течением времени были интегрированы больше индивидуальных функций или систем. Первые интегральные схемы содержали лишь несколько компонентов, возможно, до десяти диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов, что позволяло изготавливать один или несколько логических элементов на одном устройстве. Теперь, ретроспективно называемая маломасштабной интеграцией (МСИ), улучшения в технике привели к устройствам с сотнями логических элементов, известными как интеграция среднего масштаба (ИСИ). Дальнейшие усовершенствования привели к интеграции большого масштаба (БСИ), то есть системам с по меньшей мере тысячей логических элементов. Современные технологии далеко превзошли эту отметку, и сегодняшние микропроцессоры имеют много миллионов элементов и миллиарды отдельных транзисторов. В свое время предпринимались попытки определить и классифицировать различные уровни большой интеграции выше СБИС. Использовались такие термины, как ультра-крупномасштабная интеграция (УКБИС). Но огромное количество элементов и транзисторов, доступных в обычных устройствах, сделало такие тонкие различия несущественными. Термины, подразумевающие уровень интеграции выше СБИС, больше не получили широкого распространения. В 2008 году процессоры с миллиардами транзисторов стали коммерчески доступны. Это стало более распространенным по мере развития производства полупроводников от тогдашнего поколения 65 нм. В отличие от самых ранних устройств, современные разработки используют обширную автоматизацию проектирования и автоматизированный логический синтез для компоновки транзисторов, что позволяет достичь более высокого уровня сложности в результирующей логической функциональности. Некоторые высокопроизводительные логические блоки, такие как ячейка SRAM (статической памяти с произвольным доступом), все еще проектируются вручную для обеспечения максимальной эффективности.
General Microelectronics introduced the first commercial MOS integrated circuit in 1964. In the early 1970s, MOS integrated circuit technology allowed the integration of more than 10,000 transistors in a single chip. This paved the way for VLSI in the 1970s and 1980s, with tens of thousands of MOS transistors on a single chip (later hundreds of thousands, then millions, and now billions). The first semiconductor chips held two transistors each. Subsequent advances added more transistors, and as a consequence, more individual functions or systems were integrated over time. The first integrated circuits held only a few devices, perhaps as many as ten diodes, transistors, resistors and capacitors, making it possible to fabricate one or more logic gates on a single device. Now known retrospectively as small scale integration (SSI), improvements in technique led to devices with hundreds of logic gates, known as medium scale integration (MSI). Further improvements led to large scale integration (LSI), i. e. systems with at least a thousand logic gates. Current technology has moved far past this mark and today's microprocessors have many millions of gates and billions of individual transistors. At one time, there was an effort to name and calibrate various levels of large scale integration above VLSI. Terms like ultra large scale integration (ULSI) were used. But the huge number of gates and transistors available on common devices has rendered such fine distinctions moot. Terms suggesting greater than VLSI levels of integration are no longer in widespread use. In 2008, billion transistor processors became commercially available. This became more commonplace as semiconductor fabrication advanced from the then current generation of 65 nm processors. Current designs, unlike the earliest devices, use extensive design automation and automated logic synthesis to lay out the transistors, enabling higher levels of complexity in the resulting logic functionality. Certain high performance logic blocks like the SRAM (static random access memory) cell, are still designed by hand to ensure the highest efficiency.
Структурированный дизайн
Структурированное проектирование СБИС – это модульная методология, разработанная Карвером Мидом и Линн Конвей для экономии площади микросхемы за счет минимизации площади межсоединений. Это достигается путем повторяющегося расположения прямоугольных макроблоков, которые могут быть соединены между собой посредством проводников, примыкающих друг к другу. Примером может служить разбиение схемы сумматора на ряд одинаковых ячеек, соответствующих битовым срезам. В сложных схемах такая структура может быть реализована посредством иерархического вложения. Структурированное проектирование СБИС было популярно в начале 1980-х годов, но впоследствии утратило свою популярность из-за появления инструментов для размещения и трассировки, которые расходовали много площади на разводку, что стало допустимо благодаря прогрессу закона Мура. Вводя язык описания аппаратуры KARL в середине 1970-х годов, Райнер Хартенштейн ввел термин "структурированное проектирование СБИС" (первоначально как "структурированное проектирование ЛСИ"), перекликаясь со структурированным подходом к программированию Эдсгера Дейкстры, основанным на вложении процедур для избежания хаотичных программ со спагетти-образной структурой.
Structured VLSI design is a modular methodology originated by Carver Mead and Lynn Conway for saving microchip area by minimizing the interconnect fabric area. This is obtained by repetitive arrangement of rectangular macro blocks which can be interconnected using wiring by abutment. An example is partitioning the layout of an adder into a row of equal bit slices cells. In complex designs this structuring may be achieved by hierarchical nesting. Structured VLSI design had been popular in the early 1980s, but lost its popularity later because of the advent of placement and routing tools wasting a lot of area by routing, which is tolerated because of the progress of Moore's Law. When introducing the hardware description language KARL in the mid 1970s, Reiner Hartenstein coined the term "structured VLSI design" (originally as "structured LSI design"), echoing Edsger Dijkstra's structured programming approach by procedure nesting to avoid chaotic spaghetti structured programs.