Сверхбольшая интеграция ( СБИС ) — это процесс создания интегральной схемы (ИС) путем объединения миллионов или миллиардов МОП -транзисторов на одном кристалле. СБИС началась в 1970-х годах, когда были разработаны и широко распространены микросхемы МОП-интегральных схем (МОП-схемы), что позволило реализовать сложные полупроводниковые и телекоммуникационные технологии. Микропроцессор и микросхемы памяти являются устройствами СБИС.
До внедрения технологии VLSI большинство ИС имели ограниченный набор функций, которые они могли выполнять. Электронная схема могла состоять из ЦП , ПЗУ , ОЗУ и другой связующей логики . VLSI позволяет разработчикам ИС добавлять все это в один чип .
История транзистора восходит к 1920-м годам, когда несколько изобретателей пытались создать устройства, предназначенные для управления током в твердотельных диодах и преобразования их в триоды. Успех пришел после Второй мировой войны, когда использование кристаллов кремния и германия в качестве детекторов радаров привело к улучшениям в производстве 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 вакуумных ламп к твердотельным устройствам . [1]
Имея в руках небольшой транзистор, инженеры-электрики 1950-х годов увидели возможности создания гораздо более сложных схем. Однако по мере роста сложности схем возникли проблемы. [2] Одной из проблем был размер схемы. Сложная схема, такая как компьютер, зависела от скорости. Если компоненты были большими, провода, соединяющие их, должны были быть длинными. Электрическим сигналам требовалось время, чтобы пройти через схему, что замедляло работу компьютера. [2]
Изобретение интегральной схемы Джеком Килби и Робертом Нойсом решило эту проблему, сделав все компоненты и чип из одного блока (монолита) полупроводникового материала. [3] Схемы можно было сделать меньше, а процесс производства можно было автоматизировать. Это привело к идее интеграции всех компонентов на монокристаллической кремниевой пластине, что привело к малой интеграции (SSI) в начале 1960-х годов, а затем к средней интеграции (MSI) в конце 1960-х годов. [4]
General Microelectronics представила первую коммерческую МОП- интегральную схему в 1964 году. [5] В начале 1970-х годов технология МОП-интегральных схем позволила интегрировать 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 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 вентилей на одном устройстве. Теперь ретроспективно известные как маломасштабная интеграция (SSI), усовершенствования в технике привели к устройствам с сотнями логических вентилей, известным как среднемасштабная интеграция (MSI). Дальнейшие усовершенствования привели к крупномасштабной интеграции (LSI), то есть системам с как минимум тысячей логических вентилей. Современная технология далеко продвинулась дальше этой отметки, и сегодняшние микропроцессоры имеют много миллионов вентилей и миллиардов отдельных транзисторов.
В свое время была предпринята попытка назвать и откалибровать различные уровни интеграции большого масштаба выше VLSI. Использовались такие термины, как сверхбольшая интеграция (ULSI). Но огромное количество вентилей и транзисторов, доступных на обычных устройствах, сделало такие тонкие различия спорными. Термины, предполагающие уровни интеграции выше VLSI, больше не используются широко.
В 2008 году процессоры с миллиардом транзисторов стали коммерчески доступными. Это стало более распространенным явлением по мере того, как производство полупроводников развивалось с текущего поколения процессоров 65 нм . 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 в результирующей логической функциональности. Некоторые высокопроизводительные логические блоки, такие как ячейка SRAM ( статическая память с произвольным доступом ), по-прежнему разрабатываются вручную для обеспечения наивысшей эффективности. [ необходима цитата ]
Структурированное проектирование СБИС — это модульная методология, созданная Карвером Мидом и Линн Конвэй для экономии площади микросхемы путем минимизации площади соединительной ткани. Это достигается путем повторяющегося расположения прямоугольных макроблоков, которые могут быть соединены между собой с помощью проводки с помощью упора. Примером может служить разбиение макета сумматора на ряд ячеек с равными битовыми срезами. В сложных конструкциях такое структурирование может быть достигнуто путем иерархического вложения. [7]
Структурированное проектирование СБИС было популярно в начале 1980-х годов, но позже потеряло свою популярность [ требуется ссылка ] из-за появления инструментов размещения и маршрутизации, тратящих много места на маршрутизацию , что допускается благодаря прогрессу закона Мура . При представлении языка описания оборудования KARL в середине 1970-х годов Райнер Хартенштейн ввел термин «структурированное проектирование СБИС» (первоначально как «структурированное проектирование БИС»), повторяя подход Эдсгера Дейкстры к структурному программированию путем вложения процедур, чтобы избежать хаотичных спагетти-структурированных программ.
Поскольку микропроцессоры становятся все более сложными из-за масштабирования технологий , проектировщики микропроцессоров сталкиваются с рядом проблем, которые заставляют их мыслить не только в плане проектирования, но и смотреть вперед в посткремниевую эпоху: