Integration in sehr großem Maßstab - Very Large Scale Integration

Sehr große Integration ( VLSI ) ist der Prozess der Herstellung einer integrierten Schaltung (IC) durch die Kombination von Millionen von MOS-Transistoren auf einem einzigen Chip. VLSI begann in den 1970er Jahren, als MOS- Chips mit integrierten Schaltkreisen weit verbreitet wurden und die Entwicklung komplexer Halbleiter- und Telekommunikationstechnologien ermöglichten. Der Mikroprozessor und die Speicherchips sind VLSI-Geräte. Vor der Einführung der VLSI-Technologie hatten die meisten ICs eine begrenzte Anzahl von Funktionen, die sie ausführen konnten. Ein elektronischer Schaltkreis kann aus einer CPU , einem ROM , einem RAM und anderer Glue-Logik bestehen . VLSI ermöglicht es IC-Designern, all dies auf einem Chip hinzuzufügen .

Ein VLSI- Chip mit integrierter Schaltung

Geschichte

Hintergrund

Die Geschichte des Transistors reicht bis in die 1920er Jahre zurück, als mehrere Erfinder Geräte versuchten, die den Strom in Festkörperdioden steuern und in Trioden umwandeln sollten. Der Erfolg kam nach dem Zweiten Weltkrieg, als die Verwendung von Silizium- und Germaniumkristallen als Radardetektoren zu Verbesserungen in Herstellung und Theorie führte. Wissenschaftler, die mit Radar gearbeitet hatten, kehrten zur Entwicklung von Festkörpergeräten zurück. Mit der Erfindung des ersten Transistors in den Bell Labs im Jahr 1947 verlagerte sich der Bereich der Elektronik von Vakuumröhren hin zu Festkörpergeräten .

Mit dem kleinen Transistor in der Hand sahen die Elektroingenieure der 1950er Jahre die Möglichkeiten, weitaus fortschrittlichere Schaltungen zu bauen. Mit zunehmender Komplexität der Schaltungen traten jedoch Probleme auf. Ein Problem war die Größe der Schaltung. Eine komplexe Schaltung wie ein Computer war auf Geschwindigkeit angewiesen. Wenn die Komponenten groß sind, müssen die sie verbindenden Drähte lang sein. Die elektrischen Signale brauchten Zeit, um den Stromkreis zu durchlaufen, wodurch der Computer verlangsamt wurde.

Die Erfindung des integrierten Schaltkreises von Jack Kilby und Robert Noyce löste dieses Problem, indem alle Komponenten und der Chip aus dem gleichen Block (Monolith) aus Halbleitermaterial hergestellt wurden. Die Schaltungen könnten kleiner gemacht werden und der Herstellungsprozess könnte automatisiert werden. Dies führte zu der Idee, alle Komponenten auf einem einkristallinen Siliziumwafer zu integrieren, was Anfang der 1960er Jahre zur Small-Scale-Integration (SSI) und Ende der 1960er Jahre zur Medium-Scale-Integration (MSI) führte.

VLSI

General Microelectronics führte 1964 die erste kommerzielle integrierte MOS- Schaltung ein. In den frühen 1970er Jahren ermöglichte die integrierte MOS-Schaltungstechnologie die Integration von mehr als 10.000 Transistoren in einem einzigen Chip. Dies ebnete den Weg für VLSI in den 1970er und 1980er Jahren mit Zehntausenden von MOS-Transistoren auf einem einzigen Chip (später Hunderttausende, dann Millionen und jetzt Milliarden).

Die ersten Halbleiterchips enthielten jeweils zwei Transistoren. Spätere Fortschritte fügten weitere Transistoren hinzu und als Konsequenz wurden im Laufe der Zeit mehr individuelle Funktionen oder Systeme integriert. Die ersten integrierten Schaltkreise enthielten nur wenige Geräte, vielleicht bis zu zehn Dioden , Transistoren , Widerstände und Kondensatoren , was es ermöglichte, ein oder mehrere Logikgatter auf einem einzigen Gerät herzustellen. Heute rückwirkend als Small-Scale-Integration (SSI) bekannt, führten technische Verbesserungen zu Geräten mit Hunderten von Logikgattern, die als Medium-Scale-Integration (MSI) bekannt sind. Weitere Verbesserungen führten zu Large-Scale-Integration (LSI), dh Systemen mit mindestens tausend Logikgattern. Die aktuelle Technologie hat diese Marke weit überschritten und heutige Mikroprozessoren haben viele Millionen Gates und Milliarden einzelner Transistoren.

Zu einer Zeit gab es Bemühungen, verschiedene Ebenen der großmaßstäblichen Integration oberhalb von VLSI zu benennen und zu kalibrieren. Begriffe wie Ultra-Large-Scale-Integration (ULSI) wurden verwendet. Aber die große Anzahl von Gates und Transistoren, die auf gängigen Geräten verfügbar sind, hat solche feinen Unterschiede hinfällig gemacht. Begriffe, die eine höhere Integrationsstufe als VLSI andeuten, sind nicht mehr weit verbreitet.

Im Jahr 2008 wurden Milliarden-Transistor-Prozessoren kommerziell verfügbar. Dies wurde mit der Weiterentwicklung der Halbleiterfertigung von der damals aktuellen Generation von 65-nm- Prozessen immer häufiger . Aktuelle Designs verwenden im Gegensatz zu den frühesten Geräten eine umfassende Designautomatisierung und automatisierte Logiksynthese , um die Transistoren zu gestalten, was eine höhere Komplexität der resultierenden Logikfunktionalität ermöglicht. Bestimmte Hochleistungslogikblöcke wie die SRAM - Zelle ( Static Random Access Memory ) werden noch immer von Hand entworfen, um höchste Effizienz zu gewährleisten.

Strukturiertes Design

Das strukturierte VLSI-Design ist eine modulare Methodik, die von Carver Mead und Lynn Conway entwickelt wurde, um Mikrochipfläche durch Minimierung der Fläche der Verbindungsstrukturen zu sparen. Dies wird durch die sich wiederholenden Anordnung von rechteckigen Makroblöcke erhalten , die unter Verwendung von miteinander verbunden werden können Verdrahtung durch Anstoßen . Ein Beispiel ist das Aufteilen des Layouts eines Addierers in eine Reihe von Zellen mit gleichen Bit-Slices. Bei komplexen Designs kann diese Strukturierung durch hierarchische Verschachtelung erreicht werden.

Strukturiertes VLSI-Design war in den frühen 1980er Jahren populär, verlor jedoch später an Popularität, da Platzierungs- und Routing- Tools viel Platz durch Routing verschwendeten , was aufgrund der Fortschritte des Mooreschen Gesetzes toleriert wird . Bei der Einführung von Hardware - Beschreibungssprache KARL in der Mitte der 1970er Jahre, Reiner Hartenstein den Begriff ‚strukturierte VLSI Design‘ (ursprünglich als ‚strukturierte LSI Design‘) geprägt, Echo Edsger Dijkstra 's strukturierte Programmierung Ansatz durch Verfahren nisten chaotisch zu vermeiden Spaghetti strukturierten Programme.

Schwierigkeiten

Da Mikroprozessoren aufgrund der technologischen Skalierung immer komplexer werden, sind die Entwickler von Mikroprozessoren mit mehreren Herausforderungen konfrontiert , die sie zwingen, über die Designebene hinaus zu denken und einen Blick in die Zukunft nach Silizium zu richten:

  • Prozessvariation – Da sich die Photolithographietechniken den grundlegenden Gesetzen der Optik nähern, wird das Erreichen einer hohen Genauigkeit bei Dotierungskonzentrationen und geätzten Drähten schwieriger und fehleranfälliger aufgrund von Variationen. Designer müssen jetzt über mehrere Ecken des Herstellungsprozesses hinweg simulieren, bevor ein Chip für die Produktion zertifiziert wird, oder Techniken auf Systemebene verwenden, um mit Variationseffekten umzugehen.
  • Strengere Designregeln – Aufgrund von Lithografie- und Ätzproblemen bei der Skalierung wurde die Designregelprüfung für das Layout immer strenger. Konstrukteure müssen beim Entwerfen von benutzerdefinierten Schaltungen eine ständig wachsende Liste von Regeln berücksichtigen. Der Overhead für kundenspezifisches Design erreicht jetzt einen Wendepunkt, da sich viele Designhäuser dafür entscheiden, auf elektronische Designautomatisierungstools (EDA) umzusteigen, um ihren Designprozess zu automatisieren.
  • Timing/Design Closure – Da die Taktfrequenzen dazu neigen, zu skalieren, wird es für Entwickler schwieriger, einen geringen Taktversatz zwischen diesen hochfrequenten Takten über den gesamten Chipzu verteilen und aufrechtzuerhalten. Dies hat zu einem steigenden Interesse an Multicore- und Multiprozessorarchitekturen geführt , dadurch die Nutzung der Rechenleistung aller Kerneeine Gesamtgeschwindigkeit auch bei niedrigerer Taktfrequenz erreicht werden kann.
  • Erfolg im ersten Durchgang – Wenn die Die- Größen (aufgrund der Skalierung) schrumpfen und die Wafer- Größen (aufgrund niedrigerer Herstellungskosten) steigen, nimmt die Anzahl der Dies pro Wafer zu und die Komplexität der Herstellung geeigneter Fotomasken nimmt schnell zu. Ein Maskenset für eine moderne Technik kann mehrere Millionen Dollar kosten. Dieser einmalige Aufwand schreckt die alte iterative Philosophie ab, die mehrere "Spin-Zyklen" beinhaltet, um Fehler im Silizium zu finden, und fördert den Erfolg des ersten Durchgangs von Silizium. Diesen neuen Design - Flow unterstützen entwickelt, einschließlich Design für die Herstellung von (Mehrere Design - Philosophien wurden DFM ), Design for Test ( DFT ) und Design for X .
  • Elektromigration

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links