La integración a muy gran escala ( VLSI ) es el proceso de creación de un circuito integrado (IC) mediante la combinación de millones de transistores MOS en un solo chip. VLSI comenzó en la década de 1970 cuando se adoptaron ampliamente los chips de circuitos integrados MOS , lo que permitió desarrollar tecnologías complejas de semiconductores y telecomunicaciones . El microprocesador y los chips de memoria son dispositivos VLSI. Antes de la introducción de la tecnología VLSI, la mayoría de los circuitos integrados tenían un conjunto limitado de funciones que podían realizar. Un circuito electrónico puede consistir en una CPU , ROM , RAMy otra lógica de pegamento . VLSI permite a los diseñadores de circuitos integrados agregar todo esto en un solo chip .
Historia
Fondo
La historia del transistor se remonta a la década de 1920, cuando varios inventores intentaron dispositivos destinados a controlar la corriente en diodos de estado sólido y convertirlos en triodos. El éxito llegó después de la Segunda Guerra Mundial, cuando el uso de cristales de silicio y germanio como detectores de radar condujo a mejoras en la fabricación y la teoría. Los científicos que habían trabajado en el radar volvieron al desarrollo de dispositivos de estado sólido. Con la invención del primer transistor en Bell Labs en 1947, el campo de la electrónica pasó de los tubos de vacío a los dispositivos de estado sólido .
Con el pequeño transistor en sus manos, los ingenieros eléctricos de la década de 1950 vieron las posibilidades de construir circuitos mucho más avanzados. Sin embargo, a medida que crecía la complejidad de los circuitos, surgieron problemas. [1] Un problema fue el tamaño del circuito. Un circuito complejo como una computadora dependía de la velocidad. Si los componentes son grandes, los cables que los interconectan deben ser largos. Las señales eléctricas tardaron en atravesar el circuito, lo que ralentizó la computadora. [1]
La invención del circuito integrado por Jack Kilby y Robert Noyce resolvió este problema haciendo que todos los componentes y el chip fueran del mismo bloque (monolito) de material semiconductor. Los circuitos podrían hacerse más pequeños y el proceso de fabricación podría automatizarse. Esto llevó a la idea de integrar todos los componentes en una oblea de silicio monocristalino, lo que llevó a la integración a pequeña escala (SSI) a principios de la década de 1960, y luego a la integración a mediana escala (MSI) a finales de la década de 1960.
VLSI
La integración a gran escala fue posible con la amplia adopción del transistor MOS , originalmente inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. [2] Atalla propuso por primera vez el concepto del chip de circuito integrado MOS en 1960, seguido por Kahng en 1961, ambos señalando que la facilidad de fabricación del transistor MOS lo hacía útil para circuitos integrados. [3] [4] General Microelectronics introdujo el primer circuito integrado MOS comercial en 1964. [5] A principios de la década de 1970, la tecnología de circuitos integrados MOS permitió la integración de más de 10,000 transistores en un solo chip. [6] Esto allanó el camino para VLSI en las décadas de 1970 y 1980, con decenas de miles de transistores MOS en un solo chip (luego cientos de miles, luego millones y ahora miles de millones).
Los primeros chips semiconductores tenían dos transistores cada uno. Los avances posteriores agregaron más transistores y, como consecuencia, se integraron más funciones o sistemas individuales con el tiempo. Los primeros circuitos integrados tenían solo unos pocos dispositivos, quizás hasta diez diodos , transistores , resistencias y condensadores , lo que hacía posible fabricar una o más puertas lógicas en un solo dispositivo. Ahora conocido retrospectivamente como integración a pequeña escala (SSI), las mejoras en la técnica llevaron a dispositivos con cientos de puertas lógicas, conocido como integración de escala media (MSI). Otras mejoras condujeron a la integración a gran escala (LSI), es decir, sistemas con al menos mil puertas lógicas. La tecnología actual ha superado ampliamente esta marca y los microprocesadores actuales tienen muchos millones de puertas y miles de millones de transistores individuales.
En un momento, hubo un esfuerzo por nombrar y calibrar varios niveles de integración a gran escala por encima de VLSI. Se utilizaron términos como integración a gran escala (ULSI). Pero la gran cantidad de puertas y transistores disponibles en dispositivos comunes ha hecho que tales distinciones sean discutibles. Los términos que sugieren niveles de integración superiores a VLSI ya no son de uso generalizado.
En 2008, se comercializaron procesadores de mil millones de transistores. Esto se volvió más común a medida que la fabricación de semiconductores avanzó a partir de la generación actual de procesos de 65 nm . Los diseños actuales, a diferencia de los primeros dispositivos, utilizan una amplia automatización de diseño y síntesis lógica automatizada para diseñar los transistores, lo que permite niveles más altos de complejidad en la funcionalidad lógica resultante. Ciertos bloques lógicos de alto rendimiento, como la celda SRAM ( memoria estática de acceso aleatorio ), todavía se diseñan a mano para garantizar la máxima eficiencia. [ cita requerida ]
Diseño estructurado
El diseño VLSI estructurado es una metodología modular originada por Carver Mead y Lynn Conway para ahorrar área de microchip minimizando el área de tejidos de interconexión. Esto se obtiene mediante la disposición repetitiva de macrobloques rectangulares que pueden interconectarse mediante cableado por estribo . Un ejemplo es dividir el diseño de un sumador en una fila de celdas de cortes de bits iguales. En diseños complejos, esta estructuración se puede lograr mediante anidamiento jerárquico. [7]
El diseño VLSI estructurado había sido popular a principios de la década de 1980, pero perdió su popularidad más tarde [ cita requerida ] debido al advenimiento de las herramientas de colocación y enrutamiento que desperdician mucha área por enrutamiento , lo cual es tolerado debido al progreso de la Ley de Moore . Al introducir el lenguaje de descripción de hardware KARL a mediados de los años 1970, Reiner Hartenstein acuñó el término 'estructurado diseño VLSI' (originalmente como 'estructurado diseño LSI'), haciéndose eco de Edsger Dijkstra 's programación estructurada enfoque mediante el procedimiento de anidación para evitar caóticas spaghetti-estructurada programas.
Dificultades
A medida que los microprocesadores se vuelven más complejos debido al escalado de la tecnología , los diseñadores de microprocesadores se han enfrentado a varios desafíos que los obligan a pensar más allá del plano de diseño y mirar hacia el post-silicio:
- Variación del proceso : a medida que las técnicas de fotolitografía se acercan a las leyes fundamentales de la óptica, lograr una alta precisión en las concentraciones de dopaje y los alambres grabados se vuelve más difícil y propenso a errores debido a la variación. Los diseñadores ahora deben simular en múltiples esquinas del proceso de fabricación antes de que se certifique que un chip está listo para la producción, o usar técnicas a nivel de sistema para lidiar con los efectos de la variación.
- Reglas de diseño más estrictas : debido a los problemas de litografía y grabado con la escala, las reglas de diseño para el diseño se han vuelto cada vez más estrictas. Los diseñadores deben tener en cuenta una lista cada vez mayor de reglas al diseñar circuitos personalizados. Los gastos generales del diseño personalizado están llegando a un punto de inflexión, y muchas casas de diseño optan por cambiar a herramientas de automatización de diseño electrónico (EDA) para automatizar su proceso de diseño.
- Cierre de temporización / diseño : a medida que las frecuencias de reloj tienden a aumentar, los diseñadores encuentran más difícil distribuir y mantener una baja desviación de reloj entre estos relojes de alta frecuencia en todo el chip. Esto ha llevado a un creciente interés en las arquitecturas multinúcleo y multiprocesador , ya quese puede obteneruna aceleración general incluso con una frecuencia de reloj más baja utilizando la potencia computacional de todos los núcleos.
- Éxito de primer paso : a medida que los tamaños de los troqueles se reducen (debido al escalado) y los tamaños de las obleas aumentan (debido a los menores costos de fabricación), el número de troqueles por oblea aumenta y la complejidad de fabricar fotomáscaras adecuadas aumenta rápidamente. Un juego de mascarillas para una tecnología moderna puede costar varios millones de dólares. Este gasto no recurrente disuade la antigua filosofía iterativa que implica varios "ciclos de giro" para encontrar errores en el silicio y fomenta el éxito del silicio de primer paso. Varias filosofías de diseño se han desarrollado para ayudar a este nuevo flujo de diseño, incluyendo el diseño para la fabricación ( DFM ), diseño para la prueba ( DFT ), y Diseño para X .
- Electromigración
Ver también
- Sistema en un chip (SoC)
- Ingeniería neuromórfica
- Circuito Integrado de Aplicacion Especifica
- Cubo Cósmico Caltech
- Comprobación de reglas de diseño
- Automatización de diseño electrónico
- Revolución Mead & Conway
- Polisilicio
- Lista de plantas de fabricación de semiconductores
Referencias
- ^ a b "La historia del circuito integrado" . Nobelprize.org . Consultado el 21 de abril de 2012 .
- ^ "1960: Transistor de semiconductor de óxido de metal (MOS) demostrado" . Museo de Historia de la Computación .
- ^ Moskowitz, Sanford L. (2016). Innovación de materiales avanzados: gestión de la tecnología global en el siglo XXI . John Wiley e hijos . págs. 165-167. ISBN 9780470508923.
- ^ Bassett, Ross Knox (2007). Hacia la era digital: laboratorios de investigación, empresas emergentes y el auge de la tecnología MOS . Prensa de la Universidad Johns Hopkins . págs. 22-25. ISBN 9780801886393.
- ^ "1964: Se introduce el primer IC MOS comercial" . Museo de Historia de la Computación .
- ^ Hittinger, William C. (1973). "Tecnología de semiconductores de óxido de metal". Scientific American . 229 (2): 48–59. Código bibliográfico : 1973SciAm.229b..48H . doi : 10.1038 / scientificamerican0873-48 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24923169 .
- ^ Jain, BK (agosto de 2009). Electrónica digital: un enfoque moderno de BK Jain . ISBN 9788182202153. Consultado el 2 de mayo de 2017 .
Otras lecturas
- Baker, R. Jacob (2010). CMOS: diseño, trazado y simulación de circuitos, tercera edición . Wiley-IEEE. págs. 1174 . ISBN 978-0-470-88132-3. http://CMOSedu.com/
- Weste, Neil HE y Harris, David M. (2010). Diseño CMOS VLSI: una perspectiva de circuitos y sistemas, cuarta edición . Boston: Pearson / Addison-Wesley. pag. 840. ISBN 978-0-321-54774-3. http://CMOSVLSI.com/
- Chen, Wai-Kai (ed.) (2006). The VLSI Handbook, Second Edition (Manual de ingeniería eléctrica) . Boca Ratón: CRC. ISBN 0-8493-4199-X.CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
- Mead, Carver A. y Conway, Lynn (1980). Introducción a los sistemas VLSI . Boston: Addison-Wesley. ISBN 0-201-04358-0.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
enlaces externos
- Conferencias sobre diseño e implementación de sistemas VLSI en la Universidad de Brown
- Diseño de sistemas VLSI