VLSI Technology

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Saltar ata a navegación Saltar á procura

A integración a gran escala (VLSI) é o proceso de crear un circuíto integrado (IC) mediante a combinación de millóns de transistores ou dispositivos nun só chip. VLSI comezou na década de 1970, cando se estaban desenvolvendo complexas tecnoloxías de semicondutores e comunicacións. O  microprocesador é un dispositivo  VLSI. Antes da introdución da tecnoloxía  VLSI, a maioría dos circuítos integrados tiñan un conxunto limitado de funcións que podían realizar. Un circuíto electrónico pode consistir nunha  CPU,  ROM, RAM e outra lóxica de pegamento.  VLSI permite aos deseñadores de  IC agregar todo isto nun chip.

Un cuño de circuíto integrado VLSI

Historia[editar | editar a fonte]

A historia do transistor remóntase á década de 1920 cando varios inventores tentaron dispositivos destinados a controlar a corrente en diodos de estado sólido e convertelos en triodos. O éxito chegou despois da Segunda Guerra Mundial, cando o uso de cristais de silicio e xermanio como detectores de radar levou a melloras na fabricación e a teoría. Os científicos que traballaran no radar regresaron ao desenvolvemento de dispositivos de estado sólido. Coa invención dos transistores nos Laboratorios Bell en 1947, o campo da electrónica pasou dos tubos sen carga ao dispositivo de estado sólido.

Co pequeno transistor nas súas mans, os enxeñeiros eléctricos da década de 1950 viron as posibilidades de construír circuítos moito máis avanzados. Con todo, a medida que a complexidade dos circuítos creceu, xurdiron problemas.[1]

Un problema foi o tamaño do circuíto. Un circuíto complexo como unha computadora dependía da velocidade. Se os compoñentes eran grandes, os cables que os conectan deben ser longos. Os sinais eléctricos tardaron en atravesar o circuíto, o que retardou a computadora.[1]

A invención do circuíto integrado por Jack Kilby e Robert Noyce resolveu este problema ao facer que todos os compoñentes e o chip saísen do mesmo bloque (monólito) de material semicondutor. Os circuítos poderían facerse máis pequenos e o proceso de fabricación podería ser automatizado. Isto levou á idea de integrar todos os compoñentes nunha oblea de silicio dun só cristal, o que levou á integración a pequena escala ( SSI) a principios da década de 1960, á integración de mediana escala (MSI) a fins da década de 1960, e logo á integración a gran escala (LSI), así como VLSI nos anos 70 e 80, con decenas de miles de transistores nun só chip (máis tarde centos de miles, logo millóns, e agora miles de millóns (109)).

Os primeiros chips semicondutores contiñan dous transistores cada un. Os avances posteriores agregaron máis transistores e, como consecuencia, integráronse máis funcións ou sistemas individuais ao longo do tempo. Os primeiros circuítos integrados contiñan só uns poucos dispositivos, talvez ata dez diodos, transistores, resistencias e condensadores, o que fai posible fabricar unha ou máis portas lóxicas nun só dispositivo. Agora coñecido retrospectivamente como integración a pequena escala (SSI), as melloras na técnica levaron a dispositivos con centos de portas lóxicas, coñecidas como integración a mediana escala (MSI). Outras melloras levaron á integración a gran escala (LSI), é dicir, sistemas con polo menos un milleiro de portas lóxicas. A tecnoloxía actual ha superado esta marca e os microprocesadores actuais teñen moitos millóns de portas e miles de millóns de transistores individuais.

Nun momento, houbo un esforzo por nomear e calibrar varios niveis de integración a gran escala por encima de VLSI. Utilizáronse termos como integración a gran escala (ULSI). Pero a gran cantidade de portas e transistores dispoñibles en dispositivos comúns fixo que esas distincións finas sexan discutibles. Os termos que suxiren niveis de integración maiores que VLSI xa non se usan amplamente.

En 2008, os procesadores de miles de millóns de transistores comercializáronse. Isto fíxose máis común a medida que a fabricación de semionductores avanzaba a partir da xeración actual de procesos de 65 nm. Os deseños actuais, a diferenza dos dispositivos máis antigos, utilizan unha automatización de deseño extensiva e unha síntese lóxica automatizada para deseñar os transistores, o que permite maiores niveis de complexidade na funcionalidade lóxica resultante. Certos bloques lóxicos de alto rendemento, como a cela SRAM (memoria de acceso aleatorio estático), aínda están deseñados a man para garantir a maior eficiencia.

Deseño estruturado[editar | editar a fonte]

O deseño estruturado de VLSI é unha metodoloxía modular creada por Carver Mead e Lynn Conway para gardar a área do microchip ao minimizar a área de interconexión das teas. Isto obtense mediante a disposición repetitiva de macrobloques rectangulares que poden interconectarse utilizando o cableado por alicerce. Un exemplo é a partición do deseño dun sumador nunha fila de celas de segmentos de bits iguais. En deseños complexos, esta estruturación pódese lograr mediante aniñación xerárquica.[2]

O deseño estruturado de VLSI fora popular a principios da década de 1980, pero perdeu a súa popularidade máis tarde debido á chegada das ferramentas de colocación e encamiñamento que desperdiciaban unha gran cantidade de área por encamiñamento, que se tolera debido ao progreso da Lei de Moore. Ao introducir a linguaxe de descrición de hardware KARL a mediados da década de 1970, Reiner Hartenstein acuñou o termo "deseño VLSI estruturado" (orixinalmente como "deseño LSI estruturado"), facéndose eco do enfoque de programación estruturada de Edsger Dijkstra mediante o aniñamento de procedementos para evitar o caótico programa estruturado de espaguetis

Dificultades[editar | editar a fonte]

A medida que os microprocesadores vólvense máis complexos debido á escala da tecnoloxía, os deseñadores de microprocesadores atopáronse con varios desafíos que os obrigan a pensar máis aló do plano de deseño, e miran cara ao futuro despois do silicio:

  • Variación do proceso - A medida que as técnicas de fotolitografía achéganse ás leis fundamentais da óptica, lograr unha alta precisión nas concentracións de dopaxe e nos cables gravados é cada vez máis difícil e propenso a erros debidos á variacion. Os deseñadores agora deben simular a través de múltiples esquinas do proceso de fabricación antes de que un chip estea certificado para a produción, ou usar técnicas a nivel de sistema para lidar cos efectos da variación.[3]
  • Regras de deseño máis estritas - Debido a problemas de litografía e gravado co escalado, As regras de deseño para o deseño volvéronse cada vez máis estritas. Os deseñadores deben ter en conta unha lista cada vez maior de regras ao deseñar circuítos personalizados. A sobrecarga para o deseño personalizado agora está a chegar a un punto de inflexión, con moitas casas de deseño optando por cambiar as ferramentas de automatización do deseño electrónico (EDA) para automatizar o seu proceso de deseño.
  • Tempo/Peche de deseño - A medida que as frecuencias de reloxo tenden a aumentar, aos deseñadores resúltalles máis difícil distribuír e manter un sesgo de reloxo baixo entre estes reloxos de alta frecuencia en todo o chip. Isto levou a un interese crecente nas arquitecturas de multinúcleo e multiprocesador, xa que se pode obter unha aceleración xeral mesmo cunha frecuencia de reloxo máis baixa usando a potencia de cálculo de todos os núcleos.
  • Éxito na primeira pasada - A medida que os tamaños de cuño contráense (debido á escala), e os tamaños de wafer aumentan (debido a uns menor custos de fabricación), o número de matrices por oblea aumenta, e a complexidade de facer fotomáscaras adecuadas aumenta rapidamente. Unha máscara para unha tecnoloxía moderna pode custar varios millóns de dólares. Este gasto non recorrente disuade a antiga filosofía iterativa que involucra varios "ciclos de centrifugado" para atopar erros no silicio e fomenta o éxito do silicio de primeiro paso. Desenvolvéronse varias filosofías de deseño para axudar a este novo fluxo de deseño, incluído o deseño para a fabricación (DFM), design for test (DFT), e Deseño para X.

Referenzas[editar | editar a fonte]

  1. 1,0 1,1 "The History of the Integrated Circuit". Nobelprize.org. Consultado o 21 Apr 2012. 
  2. "Digital Electronics - A Modern Approach by B K Jain". Consultado o 2 May 2017. 
  3. "A Survey Of Architectural Techniques for Managing Process Variation", ACM Computing Surveys, 2015

Bibliografía[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]