Очень крупномасштабная интеграция - Википедия - Very Large Scale Integration

«СБИС» перенаправляется сюда. Для бывшей компании см. Технология СБИС.
Не путать с Очень высокоскоростная интегральная схема.

Очень масштабная интеграция (СБИС) - это процесс создания Интегральная схема (IC) путем объединения миллионов МОП транзисторы на один чип. СБИС началась в 1970-х годах, когда MOS интегральная схема получили широкое распространение, что позволило сложным полупроводник и телекоммуникации технологии, которые предстоит разработать. В микропроцессор и микросхемы памяти являются устройствами СБИС. До появления технологии СБИС большинство ИС имели ограниченный набор функций, которые они могли выполнять. An Электронная схема может состоять из ЦПУ, ПЗУ, баран и другие клей логика. СБИС позволяет разработчикам ИС добавлять все эти в одну микросхему.

Интегральная схема СБИС умереть

История

Фон

В история транзистора относится 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 детекторов радаров привело к усовершенствованию производства и теории. Ученые, работавшие над радаром, вернулись к разработке твердотельных устройств. С изобретением первого транзистор в Bell Labs в 1947 году область электроники перешла от электронных ламп к твердотельные устройства.

Имея в руках небольшой транзистор, инженеры-электрики 1950-х годов увидели возможности построения гораздо более совершенных схем. Однако по мере роста сложности схем возникали проблемы.[1] Одна проблема заключалась в размере схемы. Такая сложная схема, как компьютер, зависела от скорости. Если компоненты были большими, соединяющие их провода должны быть длинными. Электрическим сигналам требуется время, чтобы пройти через цепь, замедляя работу компьютера.[1]

В изобретение интегральной схемы к Джек Килби и Роберт Нойс решил эту проблему, сделав все компоненты и микросхему из одного блока (монолита) полупроводникового материала. Схемы можно было сделать меньше, а производственный процесс можно было автоматизировать. Это привело к идее интеграции всех компонентов на монокристаллической кремниевой пластине, которая привела к мелкомасштабной интеграции (SSI) в начале 1960-х, а затем к средней интеграции (MSI) в конце 1960-х.

СБИС

Дальнейшая информация: MOS интегральная схема

Очень крупномасштабная интеграция стала возможной благодаря широкому внедрению МОП-транзистор, первоначально изобретенный Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году.[2] Аталла первым предложил концепцию MOS интегральная схема чип в 1960 году, а затем Канг в 1961 году, оба отметив, что простота использования МОП-транзистора изготовление сделал его полезным для интегральных схем.[3][4] General Microelectronics представил первый коммерческий MOS Интегральная схема в 1964 г.[5] В начале 1970-х годов технология МОП-интегральных схем позволила объединить более 10 000 транзисторов в одном кристалле.[6] Это проложило путь для 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 кристаллы содержали по два транзистора. 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, целых десять. диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы, что позволяет изготавливать один или несколько логические ворота на одном устройстве. Теперь известный ретроспективно как мелкомасштабная интеграция (SSI), усовершенствования техники привели к созданию устройств с сотнями логических вентилей, известных как средняя интеграция (MSI). Дальнейшие улучшения привели к крупномасштабная интеграция (БИС), то есть системы, содержащие не менее тысячи логических вентилей. Современные технологии далеко вышли за эту отметку, и сегодня микропроцессоры имеют многие миллионы вентилей и миллиарды отдельных транзисторов.

Одно время предпринимались попытки назвать и откалибровать различные уровни крупномасштабной интеграции над СБИС. Такие термины, как сверхбольшая интеграция (ULSI). Но огромное количество вентилей и транзисторов, доступных в обычных устройствах, сделало такие тонкие различия спорными. Термины, предполагающие уровень интеграции выше СБИС, больше не используются широко.

В 2008 году в продажу поступили процессоры с миллиардом транзисторов. Это стало более обычным явлением по мере того, как производство полупроводников развивалось по сравнению с нынешним поколением полупроводников. 65 нм процессы. Текущие разработки, в отличие от самых ранних устройств, используют обширные автоматизация проектирования и автоматизированный логический синтез к макет транзисторы, позволяющие повысить уровень сложности логической функциональности. Некоторые высокопроизводительные логические блоки, такие как SRAM (статическая оперативная память ) ячейки по-прежнему разрабатываются вручную для обеспечения максимальной эффективности.[нужна цитата ]

Структурированный дизайн

Структурированная СБИС - это модульная методология, разработанная Карвер Мид и Линн Конвей для экономии площади микрочипа за счет минимизации площади межсоединений. Это достигается путем повторяющегося расположения прямоугольных макроблоков, которые могут быть связаны между собой с помощью проводка опорой. Примером является разделение схемы сумматора на ряд ячеек с одинаковыми битовыми срезами. В сложных проектах такое структурирование может быть достигнуто путем иерархического вложения.[7]

Структурированная СБИС была популярна в начале 1980-х годов, но позже потеряла популярность.[нужна цитата ] из-за появления размещение и маршрутизация инструменты тратят много места на маршрутизация, что допустимо из-за прогресса Закон Мура. При введении язык описания оборудования KARL в середине 1970-х, Райнер Хартенштейн придумал термин «структурированный проект СБИС» (первоначально как «структурированный проект БИС»), перекликающийся с Эдсгер Дейкстра с структурное программирование подход к вложению процедур, чтобы избежать хаоса спагетти-структурированный программа

Трудности

Поскольку микропроцессоры становятся более сложными из-за масштабирование технологий, разработчики микропроцессоров столкнулись с несколькими проблемами, которые заставляют их мыслить не только в плоскости дизайна, но и смотреть вперед на пост-кремний:

  • Вариант процесса - В качестве фотолитография приближаются к фундаментальным законам оптики, достигая высокой точности в допинг концентрации и протравливание проволоки становится все труднее и подвержены ошибкам из-за вариаций. Теперь дизайнеры должны моделировать несколько производств. обработать углы до того, как микросхема будет сертифицирована как готовая к производству, или используйте методы системного уровня для устранения эффектов вариации.[8]
  • Более строгие правила дизайна - Из-за проблем с масштабированием литографии и травления, правила проектирования за макет стали более строгими. Разработчики должны помнить о постоянно растущем списке правил при разработке пользовательских схем. Накладные расходы на нестандартный дизайн сейчас достигают критической точки, и многие дизайнерские компании предпочитают переключаться на автоматизация проектирования электроники (EDA) инструменты для автоматизации процесса проектирования.
  • Сроки / дизайн закрытия - В качестве тактовые частоты имеют тенденцию к масштабированию, дизайнерам становится труднее распространять и поддерживать низкий уровень часы перекос между этими высокочастотными тактовыми частотами по всей микросхеме. Это привело к росту интереса к многоядерный и мультипроцессор архитектуры, поскольку общее ускорение может быть получен даже с более низкой тактовой частотой за счет использования вычислительной мощности всех ядер.
  • Успех первого прохода - В качестве умереть размеры уменьшаются (из-за масштабирования), и вафля размеры увеличиваются (из-за более низких производственных затрат), увеличивается количество штампов на пластину и сложность изготовления подходящих фотошаблоны быстро растет. А набор масок для современной техники 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. Было разработано несколько концепций дизайна, чтобы помочь этому новому потоку проектирования, включая проектирование для производства (DFM ), дизайн для теста (DFT ), и Дизайн для X.
  • Электромиграция

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б «История интегральной схемы». Nobelprize.org. Получено 21 апреля 2012.
  2. ^ «1960: Показан металлооксидно-полупроводниковый (МОП) транзистор». Музей истории компьютеров.
  3. ^ Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке. Джон Уайли и сыновья. С. 165–167. ISBN  9780470508923.
  4. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и развитие MOS-технологий. Издательство Университета Джона Хопкинса. С. 22–25. ISBN  9780801886393.
  5. ^ «1964: выпущена первая коммерческая микросхема MOS». Музей истории компьютеров.
  6. ^ Хиттингер, Уильям К. (1973). «Металл-оксид-полупроводники». Scientific American. 229 (2): 48–59. Bibcode:1973SciAm.229b..48H. Дои:10.1038 / scientificamerican0873-48. ISSN  0036-8733. JSTOR  24923169.
  7. ^ Джайн, Б. К. (август 2009 г.). Цифровая электроника - современный подход Б. К. Джайна. ISBN  9788182202153. Получено 2 мая 2017.
  8. ^ "Обзор архитектурных методов управления вариациями процесса ", Опросы ACM Computing, 2015

дальнейшее чтение

внешняя ссылка