Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из СБИС )
Перейти к навигации Перейти к поиску
«СБИС» перенаправляется сюда. Для бывшей компании см Технология СБИС .
Не следует путать с высокоскоростной интегральной схемой .

Очень крупномасштабная интеграция ( СБИС ) - это процесс создания интегральной схемы (ИС) путем объединения миллионов МОП-транзисторов на одном кристалле. СБИС началась в 1970-х годах, когда получили широкое распространение микросхемы МОП-интегральных схем , что позволило разрабатывать сложные полупроводниковые и телекоммуникационные технологии. В микропроцессор и чипы памяти являются VLSI устройства. До появления технологии СБИС большинство ИС имели ограниченный набор функций, которые они могли выполнять. Электронная схема может состоять из процессора , ПЗУ , ОЗУи прочая клейкая логика . СБИС позволяет разработчикам интегральных схем объединить все это в одну микросхему .

Однокристальные интегральные схемы штамп

История [ править ]

Фон [ править ]

История транзисторных дат до 1920 - х годов , когда несколько изобретателей пытались устройства , которые были предназначены для контроля тока в твердотельных диодов и преобразовывать их в триодах. 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 транзистора в Bell Labs в 1947 году область электроники перешла от электронных ламп к твердотельным устройствам .

Имея в руках небольшой транзистор, инженеры-электрики 1950-х годов увидели возможности создания гораздо более совершенных схем. Однако по мере роста сложности схем возникали проблемы. [1] Одной из проблем был размер 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]

Изобретение интегральной схемы по Джеку Килби и Роберт Нойс решить эту проблему, сделав все компоненты и чип из одного и того же блока (монолитного) 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 [ править ]

Дополнительная информация: MOS интегральная схема

Очень крупномасштабная интеграция стала возможной с широким применением МОП-транзистора , первоначально изобретенного Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. [2] Аталла впервые предложил концепцию микросхемы интегральной схемы МОП в 1960 году. за ним последовал Канг в 1961 году, оба отметив, что простота изготовления МОП-транзистора сделала его полезным для интегральных схем. [3] [4] General Microelectronics представила первую коммерческую интегральную схему МОП в 1964 году. [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 микросхемы 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 диодов , транзисторов , резисторов и конденсаторов , что позволяло изготавливать один или несколько логических вентилей на одном устройстве. Теперь известные как мелкомасштабная интеграция (SSI), усовершенствования техники привели к появлению устройств с сотнями логических вентилей, известных как средняя интеграция (MSI). Дальнейшие улучшения привели к крупномасштабной интеграции(БИС), то есть системы, содержащие не менее тысячи логических вентилей. Современные технологии далеко зашли за эту отметку, и современные микропроцессоры имеют миллионы вентилей и миллиарды отдельных транзисторов.

Одно время предпринимались попытки назвать и откалибровать различные уровни крупномасштабной интеграции над СБИС. Использовались 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 текущим поколением 65 нм процессов. Текущие разработки, в отличие от самых ранних устройств, используют обширную автоматизацию проектирования и автоматизированный логический синтез для компоновки транзисторов, что обеспечивает более высокий уровень сложности конечных логических функций. Некоторые высокопроизводительные логические блоки, такие как ячейка SRAM ( статическая память с произвольным доступом ), по-прежнему разрабатываются вручную для обеспечения максимальной эффективности. [ необходима цитата ]

Структурированный дизайн [ править ]

Структурированная СБИС - это модульная методология, разработанная Карвером Мидом и Линн Конвей для экономии площади микрочипа за счет минимизации площади межсоединений. Это достигается за счет повторяющейся компоновки прямоугольных макроблоков, которые могут быть соединены между собой при помощи проводки упором . 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 свою популярность [ необходима цитата ] из-за появления инструментов размещения и маршрутизации , расходующих много места на трассировку , что допустимо из-за прогресса закона Мура . При введении описания аппаратных средств языка KARL в середине «1970 - х годов, Райнер Хартенштайн ввел термин„структурированный СБИС“(первоначально как„структурированный LSI дизайн“), повторив Эдсгер Дейкстра » ы структурированного программирования подхода процедуры вложенности , чтобы избежать хаотические спагетти-структурированных программа

Трудности [ править ]

По мере того, как микропроцессоры становятся более сложными из-за масштабирования технологий , разработчики микропроцессоров столкнулись с рядом проблем, которые заставляют их мыслить за пределами плоскости проектирования и смотреть вперед на пост-кремниевые:

  • Вариации процесса - по мере приближения методов фотолитографии к фундаментальным законам оптики достижение высокой точности определения концентраций легирования и протравленных проволок становится все труднее и подвержено ошибкам из-за вариаций. Теперь проектировщики должны моделировать несколько этапов производственного процесса, прежде чем чип будет сертифицирован как готовый к производству, или использовать методы системного уровня для устранения эффектов вариаций. [8]
  • Более строгие правила проектирования - из-за проблем с литографией и травлением при масштабировании правила проектирования для макета становятся все более строгими. Разработчики должны помнить о постоянно растущем списке правил при разработке пользовательских схем. Накладные расходы на индивидуальное проектирование сейчас достигают критической точки, и многие проектные компании предпочитают переключаться на инструменты автоматизации электронного проектирования (EDA) для автоматизации процесса проектирования.
  • Замыкание по времени / дизайну. Поскольку тактовые частоты имеют тенденцию к увеличению, разработчикам становится все труднее распределять и поддерживать низкий разброс тактовых импульсов между этими высокочастотными тактовыми частотами по всему кристаллу. Это привело к растущему интересу к многоядерным и многопроцессорным архитектурам, поскольку общее ускорение может быть получено даже при более низкой тактовой частоте за счет использования вычислительной мощности всех ядер.
  • Успех первого прохода - по мере уменьшения размеров кристаллов (из-за масштабирования) и увеличения размеров пластин (из-за более низких производственных затрат) количество кристаллов на пластину увеличивается, а сложность изготовления подходящих фотошаблонов быстро возрастает. Набор масок по современной технике 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. Несколько дизайна философии были разработаны , чтобы помочь этот новый потоку проектирования, включая проектирование для производства ( DFM ), дизайн для испытания ( ДПФ ), и дизайн для X .
  • Электромиграция

См. Также [ править ]

  • Система на кристалле (SoC)
  • Нейроморфная инженерия
  • Интегральная схема для конкретного приложения
  • Космический куб Калифорнийского технологического института
  • Проверка правил проектирования
  • Автоматизация электронного проектирования
  • Мид и Конвей революция
  • Поликремний
  • Список заводов по производству полупроводников

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б «История интегральной схемы» . Nobelprize.org . Проверено 21 апр 2012 .
  2. ^ "1960: Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Музей истории компьютеров .
  3. ^ Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке . Джон Вили и сыновья . С. 165–167. ISBN 9780470508923.
  4. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). В эпоху цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и рост технологии MOS . Издательство Университета Джона Хопкинса . С. 22–25. ISBN 9780801886393.
  5. ^ "1964: Представлена ​​первая коммерческая MOS IC" . Музей истории компьютеров .
  6. ^ Хиттингер, Уильям С. (1973). «Металл-оксид-полупроводники». Scientific American . 229 (2): 48–59. Bibcode : 1973SciAm.229b..48H . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0873-48 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24923169 .  
  7. Перейти ↑ Jain, BK (август 2009). Цифровая электроника - современный подход Б.К. Джайна . ISBN 9788182202153. Дата обращения 2 мая 2017 .
  8. ^ « Обзор архитектурных методов для управления изменением процесса », ACM Computing Surveys , 2015

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бейкер, Р. Джейкоб (2010). CMOS: схемотехника, компоновка и моделирование, третье издание . Wiley-IEEE. С.  1174 . ISBN 978-0-470-88132-3. http://CMOSedu.com/
  • Вест, Нил Х.Э. и Харрис, Дэвид М. (2010). CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, Fourth Edition . Бостон: Пирсон / Эддисон-Уэсли. п. 840. ISBN 978-0-321-54774-3. http://CMOSVLSI.com/
  • Чен, Вай-Кай (редактор) (2006). Справочник СБИС, второе издание (Справочник по электротехнике) . Бока-Ратон: CRC. ISBN 0-8493-4199-X.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  • Мид, Карвер А. и Конвей, Линн (1980). Введение в системы СБИС . Бостон: Эддисон-Уэсли. ISBN 0-201-04358-0.CS1 maint: multiple names: authors list (link)

Внешние ссылки [ править ]

  • Лекции по проектированию и реализации систем СБИС в Университете Брауна
  • Проектирование систем СБИС