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超大规模集成电路 编辑词条词条保护

词条创建者 随风

超大规模集成电路简介

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超大规模集成电路(VLSI)是一种将大量晶体管集成到单个芯片上的集成电路,其集成度比大规模集成电路高。集成晶体管的数量在不同的标准中有所不同。20世纪70年代以来,随着复杂半导体和通信技术的发展,集成电路的研究和开发逐渐扩大。计算机控制核心微处理器是超大规模集成电路最典型的例子。超大规模集成电路的设计,特别是数字集成电路的设计,通常是通过电子设计自动化来进行的,已经成为计算机工程的重要分支之一。

超大规模集成电路

超大规模集成电路分类

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集成电路按其集成程度可分为小规模集成电路、中等规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、超大规模集成电路和超大规模集成电路。

小规模集成电路

小型集成电路出现于1960年,由10-100个元件或1-10个逻辑门在单个硅片上组成。例如逻辑门和触发器。在使用小型数字集成电路(SSI)设计组合逻辑电路时,采用门电路作为电路的基本单元。因此,逻辑功能的简化应尽量减少所使用的门电路的数量和门输入的数量。

中规模集成电路(Medium Scale Integration:MSI)

它出现在1966年,在硅片上包含100-1000个元件或10-100个逻辑门。例如,集成定时器、寄存器、解码器等。
如果使用中规模集成电路(MSI)设计组合逻辑电路,则应考虑所使用集成电路的最小数量和种类,以及集成电路之间的最小连接数。这通常需要将逻辑函数表达式转换为选择电路所需的表达式,有时直接使用标准范式。
虽然MSI中规模组合逻辑器件的功能比小规模集成电路lsi更强,但其专业性不如大规模集成电路lsi。这些设备产品虽然品种繁多,但并不能完全满足用户的要求。这就需要层叠多个芯片来扩展其功能,标准的中等规模继承元件也可以用来实现其他组合逻辑电路的设计。在使用中规模集成元件进行组合逻辑电路设计时,方法是选择合适的MSI,将实际问题的逻辑表达式转化为相应的MSI表达式。与用门电路设计的组合逻辑电路相比,用MSI设计的组合逻辑电路不仅体积更小、重量更轻,而且还提高了运行的可靠性。
中尺度数据的级联选择可以扩展数据选择路径的数量,其功能扩展不仅可以用于组合逻辑电路,也可以用于顺序逻辑电路。在组合逻辑电路中主要有以下几种应用:
(1)级联扩展,增加所选路径和位数,实现多比特到多比特的数据传输;
(2)开发逻辑函数发生器,实现任意组合逻辑电路的设计。

大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits:LSI)

它出现于1970年,在硅片上包含103-105个元件或100-10000个逻辑门。例如:半导体存储器,某些计算机外设。628512628128 (128K)最大容量1G。

超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits:VLSI)

在一块芯片上集成了10万个以上元件或1万个以上门的集成电路称为超大规模集成电路。超大规模集成电路在20世纪70年代后期成功开发,主要用于制造存储器和微处理器。64k位随机存取存储器是第一代超大规模集成电路,包含约150000个元件,线宽为3微米
超大规模集成电路集成度达到600万个晶体管,线宽达到0.3微米。采用超大规模集成电路制造的电子器件具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等特点。利用超大规模集成电路技术,可以将一个电子分系统甚至整个电子系统集成到一块芯片上,完成信息采集、处理、存储等各种功能。例如,整个386微处理器电路可以集成在一块芯片上,集成度为250万个晶体管。超大规模集成电路的研制成功是微电子技术的一次飞跃,极大地推动了电子技术的进步,带动了军民技术的发展。超大规模集成电路已成为衡量一个国家科技和工业发展水平的重要标志,也是世界主要工业国家特别是美国和日本竞争最激烈的领域。

特大规模集成电路(Ultra Large-Scale Integration:ULSI)

1993年,随着集成了1000万个晶体管的16M FLASH和256M DRAM的成功开发,我们进入了超大型集成(ULSI)时代。超大规模集成电路的集成元件数量在107 ~ 109个之间。
ULSI电路集成度的快速增长主要取决于两个因素:一是完美的晶体生长技术已经达到了很高的水平;二是制造设备的不断改进,加工精度、自动化水平、可靠性的提高使得器件尺寸进入深亚微米级领域。硅单晶的制备工艺可以使晶体径向参数均匀,减少体内微缺陷的数量,尺寸在0.1~0.3um的缺陷平均每平方厘米可小于0.05个。我对电路加工过程中产生缺陷的理论模型有了比较完整的了解,从而形成了一套完整的完美晶体的加工技术。电路生产中使用的硅片直径不断增加,生产效率显著提高,硅片直径尺寸达到12英寸。微缺陷的减少提高了芯片的良率,每平方厘米0.02个缺陷的硅片可以实现256MB DRAM的良率80-90%。
千兆规模集成(GSI)
1994年,由于成功开发出集成1亿个元件的1G DRAM,进入了大规模集成电路的千兆级集成(GSI)时代。大规模集成电路的集成元件数量超过109个。

超大规模集成电路历史

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在20世纪20年代,一些发明家试图掌握在固态二极管中控制电流的方法,他们的想法在后来的双极晶体管中得以实现。然而,他们的愿景直到第二次世界大战结束后才得以实现。在战争时期,人们把精力集中在制造军用产品上,比如雷达,所以电子工业的发展没有后来那么快。但是,人们对半导体物理的了解逐渐增加,制造技术水平也逐渐提高。战后,许多科学家恢复了对固态电子器件的研究。1947年,著名的贝尔实验室成功研制出晶体管。从此,电子学的研究方向从真空管转向固态电子器件。晶体管在当时被认为具有体积小、效率高的特点。20世纪50年代,一些电子工程师满怀期待地希望开发出比以前更先进、更复杂的基于晶体管的电路。然而,随着电路复杂性的增加,技术问题对器件性能的影响逐渐引起人们的关注。像计算机主板这样的复杂电路通常对响应速度有很高的要求。如果计算机的部件太大,或者不同部件之间的导线太长,电信号在电路中不能以足够快的速度传播,就会导致计算机运行缓慢,效率低下,甚至出现逻辑错误。1958年,德州仪器公司的Jack Kirby找到了解决上述问题的方法。他提出,电路中的所有元件和芯片都可以由相同的半导体材料块制成。当时,他的同事们都在度假,假期结束后,柯比立即展示了他的新设计。随后,他开发了这种新型电路的测试版本。1958年9月,第一台集成电路研制成功。虽然这种集成电路仍然显得非常粗糙,存在一些问题,但它确实是电子学历史上的一个创新概念。通过将所有组件集成在同一材料块上,并通过上面的金属化层将每个部分连接起来,不再需要单独的独立组件,从而避免了手动组装组件和电线的步骤。此外,电路的特征尺寸也大大减小。随着电子设计自动化的逐步发展,制造过程中的许多过程都可以实现自动化和控制。从那时起,实现了将所有元件集成到单个硅片上的想法,并在20世纪60年代初开始了小规模集成(SSI)时代,随后经历了中等规模集成(MSI, 1960年底),大规模集成电路和超大规模集成电路(1980年初)。超大规模集成电路的晶体管数量可达10000个。

发展现状
截至2012年底,已经有数十亿个晶体管处理器投入商用。随着半导体制造工艺从32纳米到下一个22纳米的飞跃,这种类型的集成电路将变得更加普遍,尽管面临着工艺角度偏差等挑战。一个值得注意的例子是英伟达在GeForce 700系列中的第一款显示核心,代号为“GK110”图形处理器,它使用所有71亿个晶体管来处理数字逻辑。安腾的大部分晶体管都用于构建3200万字节的三级缓存。英特尔酷睿i7处理器集成了14亿个晶体管。所采用的设计与早期不同,它广泛使用了电子设计自动化工具。设计人员可以将大部分精力集中在电路逻辑功能的硬件描述语言表达上,而功能验证、逻辑仿真、逻辑综合、布图、布线、布图等都可以在计算机的辅助下完成。

不足
由于技术规模的不断扩大和微处理器的复杂性的不断增加,微处理器的设计者遇到了一些挑战。
1. 功耗及散热:随着组件集成化规模的增大,单位体积产生的热功率逐渐增大。但是设备的散热面积保持不变,导致单位面积散热不足。同时,由于晶体管数量的显著增加,单个晶体管的亚阈值电流较弱所造成的静态功耗也越来越显著。人们提出了一些低功耗设计技术,如动态电压和频率缩放(DVFS),以降低总功耗。
2. 工艺偏差:由于光刻技术对光学定律的限制,更高精度的掺杂和蚀刻将变得更加困难,并且误差的可能性也会增加。设计人员必须在芯片制造之前进行技术模拟。
3. 更严格的设计规则:由于光刻和蚀刻工艺的问题,集成电路布局的设计规则必须更严格。在设计布局时,设计师必须始终考虑这些规则。定制设计的总成本已经达到临界点,许多设计机构倾向于从电子设计自动化入手,实现自动化设计。
4. 设计收敛:随着数字电子应用的时钟频率趋于上升,设计人员发现在整个芯片中保持低时钟偏移变得更加困难。这激发了人们对多核、多处理器架构的兴趣(参见Amdal定律)。
5. 成本:随着晶粒尺寸的减小,晶圆尺寸增大,单位晶圆面积的晶粒数增加,导致制造过程中使用的光掩膜的复杂性急剧增加。现代高精度掩模技术非常昂贵。

 

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