Очень крупномасштабная интеграция ( СБИС ) — это процесс создания интегральной схемы (ИС) путем объединения миллионов или миллиардов МОП-транзисторов на одном кристалле. СБИС зародилась в 1970-х годах, когда были разработаны и затем широко распространены микросхемы МОП-интегральных схем (металл-оксид-полупроводник), что позволило реализовать сложные полупроводниковые и телекоммуникационные технологии. Микропроцессор и микросхемы памяти являются устройствами СБИС.
До внедрения технологии СБИС большинство микросхем имели ограниченный набор функций, которые они могли выполнять. Электронная схема может состоять из ЦП , ПЗУ , ОЗУ и другой связующей логики . СБИС позволяет разработчикам интегральных схем объединить все это в один чип .
История транзисторов восходит к 1920-м годам, когда несколько изобретателей попытались создать устройства, предназначенные для управления током в твердотельных диодах и преобразования его в триоды. Успех пришел после Второй мировой войны, когда использование кристаллов кремния и германия в качестве радар-детекторов 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 полупроводниковым устройствам .
Имея в руках небольшой транзистор, инженеры-электрики 1950-х годов увидели возможности создания гораздо более совершенных схем. Однако по мере роста сложности схем возникли проблемы. [1] Одной из проблем был размер схемы. Сложная схема, такая как компьютер, зависела от скорости. Если компоненты были большими, соединяющие их провода должны быть длинными. Электрическим сигналам требовалось время, чтобы пройти через цепь, что замедляло работу компьютера. [1]
Изобретение Джеком Килби и Робертом Нойсом интегральной схемы решило эту проблему, сделав все компоненты и микросхему из одного блока (монолита) полупроводникового материала. Схемы можно было бы сделать меньше, а производственный процесс можно было бы автоматизировать. Это привело к идее объединить все компоненты на монокристаллической кремниевой пластине, что привело к маломасштабной интеграции (SSI) в начале 1960-х годов, а затем к среднемасштабной интеграции (MSI) в конце 1960-х годов.
Компания General Microelectronics представила первую коммерческую интегральную схему МОП в 1964 году . [2] В начале 1970-х годов технология интегральных схем МОП позволила объединить более 10 000 транзисторов в одном кристалле. [3] Это проложило путь к 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 чипы содержали по два транзистора каждый. 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, до десяти диодов , транзисторов , резисторов и конденсаторов , что позволяло изготавливать один или несколько логических элементов на одном устройстве. Совершенствование техники , теперь известное ретроспективно как малая интеграция (SSI), привело к созданию устройств с сотнями логических элементов, известных как среднемасштабная интеграция (MSI). Дальнейшие улучшения привели к крупномасштабной интеграции (LSI), т.е. к системам как минимум с тысячей логических элементов. Современные технологии продвинулись далеко за эту отметку, и сегодняшние микропроцессоры имеют многие миллионы вентилей и миллиарды отдельных транзисторов.
В свое время предпринимались попытки назвать и откалибровать различные уровни крупномасштабной интеграции выше СБИС. Были использованы такие термины, как сверхкрупномасштабная интеграция (ULSI). Но огромное количество вентилей и транзисторов, доступных в обычных устройствах, сделало такие тонкие различия спорными. Термины, предполагающие более высокий уровень интеграции, чем СБИС, больше не широко используются.
В 2008 году процессоры с миллиардом транзисторов стали коммерчески доступны. Это стало более распространенным явлением по мере того, как производство полупроводников вышло за рамки нынешнего поколения процессоров 65 нм . Современные конструкции, в отличие от самых ранних устройств, используют обширную автоматизацию проектирования и автоматизированный логический синтез для компоновки транзисторов, что обеспечивает более высокий уровень сложности получаемой логической функциональности. Некоторые высокопроизводительные логические блоки, такие как ячейка SRAM ( статическая оперативная память ), по-прежнему разрабатываются вручную, чтобы обеспечить максимальную эффективность. [ нужна цитата ]
Структурированная конструкция СБИС — это модульная методология, разработанная Карвером Мидом и Линн Конвей для экономии площади микрочипа за счет минимизации площади межсоединений. Это достигается путем повторяющегося расположения прямоугольных макроблоков, которые можно соединить между собой с помощью проводки с помощью абатмента. Примером является разделение схемы сумматора на ряд ячеек с равными битовыми срезами. В сложных проектах такое структурирование может быть достигнуто за счет иерархической вложенности. [4]
Структурированная конструкция СБИС была популярна в начале 1980-х годов, но позже потеряла свою популярность из-за появления инструментов размещения и маршрутизации, тратящих много места при маршрутизации , что допускается из-за развития закона Мура . Представляя язык описания аппаратного обеспечения KARL в середине 1970-х годов, Райнер Хартенштейн ввёл термин «структурированный проект СБИС» (первоначально как «структурированный проект БИС»), перекликаясь с подходом структурированного программирования Эдсгера Дейкстры, заключающимся в вложении процедур, чтобы избежать хаотичной структуры спагетти. программы.
Поскольку микропроцессоры становятся более сложными из-за масштабирования технологий , разработчики микропроцессоров столкнулись с рядом проблем, которые вынуждают их мыслить за пределами плоскости проектирования и смотреть в будущее на пост-кремниевые технологии:
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )