Проект VLSI — это программа DARPA , инициированная Робертом Каном в 1978 году [1] , которая обеспечивала финансирование исследований широкому кругу университетских групп с целью улучшить современное состояние проектирования микропроцессоров , тогда известное как «Очень крупномасштабное проектирование» . Интеграция (СБИС).
Проект СБИС — один из самых влиятельных исследовательских проектов в современной компьютерной истории. Его детища включают Berkeley Software Distribution (BSD) Unix , концепцию процессора компьютера с сокращенным набором команд (RISC), многие инструменты автоматизированного проектирования (CAD), которые все еще используются сегодня, 32-битные графические рабочие станции , производственные и проектные центры без собственных производственных мощностей, а также собственный завод по производству полупроводников (фабрика), MOSIS , начиная с 1981 года. [2] Аналогичный проект DARPA в партнерстве с промышленностью, VHSIC , оказал незначительное влияние или вообще не оказал никакого влияния.
Проект СБИС сыграл центральную роль в продвижении революции Мида и Конвея во всей промышленности.
В 1975 году Карвер Мид , Том Эверхарт и Иван Сазерленд из Калифорнийского технологического института написали отчет для ARPA на тему микроэлектроники. За предыдущие несколько лет Мид ввел термин « закон Мура », чтобы описать предсказание Гордона Мура 1965 года о темпах роста сложности, а в 1974 году Роберт Деннард из IBM отметил, что сокращение масштаба, легшее в основу закона Мура, также повлияло на производительность систем. Эти совокупные эффекты подразумевали, что в отрасли вот-вот произойдет массовое увеличение вычислительной мощности. [3] В отчете, опубликованном в 1976 году, предлагалось, чтобы ARPA профинансировала разработку в ряде областей, чтобы справиться со сложностями, которые вот-вот возникнут из-за этих «очень больших интегральных схем». [4]
Позже в том же году Сазерленд написал письмо своему брату Берту, который в то время работал в Xerox PARC . Он предложил совместными усилиями PARC и Калифорнийского технологического института начать изучение этих проблем. Берт согласился сформировать команду, пригласив присоединиться к ней Линн Конвей и Дуга Фэйрберна. Конвей ранее работал в IBM над проектом суперкомпьютера, известного как ACS-1 . Изучив заметки Мида, Конвей понял, что предсказанное быстрое масштабирование КМОП позволит ей превзойти более быстрые системы ECL , используемые в более крупных системах, поскольку размеры элементов уменьшились и сработали прогнозы Деннарда по скорости. Это также подразумевало, что вся система ACS -1 мейнфрейм однажды поместится на одном чипе. [4] В 1976 году Сазерленд и Мид написали в журнале Scientific American статью о проблемах, связанных с новой сложностью. [5]
В то время проектирование микропроцессоров остановилось на уровне 100 000 транзисторов , поскольку инструменты, доступные разработчикам, просто не могли справиться с более сложными конструкциями. На рынок поступали 16-битные и 16/32-битные конструкции, но рассматривать все остальное казалось слишком сложным и дорогим. Мид и Конвей почувствовали, что не существует никакой теоретической проблемы, препятствующей прогрессу, а есть лишь ряд практических проблем, и приступили к их решению, чтобы сделать возможным гораздо более сложные конструкции. Проще говоря, решение заключалось в том, чтобы все упростить, изобретя новые практические правила для дизайнеров и применяя компьютеры для решения более серьезных задач. [5] Этому процессу способствовало недавнее введение логики NMOS режима истощения , которая значительно упростила концептуальную модель активных элементов. [6]
Середина 1970-х годов была периодом быстрых перемен, поскольку в различных компаниях быстрыми темпами внедрялись новые процессы. Каждый новый процесс приводил к созданию набора правил дизайна, который часто занимал 40 страниц. Они будут включать такие детали, как «не размещайте на слое металлизации (МЕТ) параллельные линии, расположенные на расстоянии менее 2 микрометров друг от друга». Для каждого слоя были разработаны десятки таких правил, чтобы выжать максимальную производительность. В начале 1977 года Конвей начал разработку нового набора полностью общих правил. Они не могли обеспечить максимально возможную производительность для какой-либо конкретной системы, но ее концепция заключалась в том, что это настолько сильно сократит время проектирования, что его можно будет адаптировать к новой базовой технологии изготовления с небольшими изменениями или вообще без них, и такой шаг принесет многократные выгоды. выигрыш в производительности, который дает использование каждого опубликованного трюка существующих правил. [6]
Начав с трех цветных ручек для досок, представляющих каждый из типов слоев (MET, POLY, DIFF), Конвей разработал набор правил проектирования, применимых к каждому текущему процессу. Дальнейшее развитие привело к осознанию того, что все размеры могут быть выражены как кратные некоторому фундаментальному минимальному размеру элемента, возможному с помощью этого процесса, который стал известен как λ (греческая буква лямбда). λ был установлен равным половине минимальной ширины линии POLY или DIFF, и правила выражались в этих терминах; «линия должна иметь ширину в два λ», «две строки на одном слое должны находиться на расстоянии не менее трех λ друг от друга», «линии на разных слоях должны находиться на расстоянии одного λ друг от друга» и т. д. Конечным результатом стал краткий набор правил проектирования, применимых в любом масштабе. Позже Конвей отметил: «Я хорошо помню, как тем весенним утром 1977 года у Мида отвисла челюсть, когда я представлял свою стратегию для правил, основанных на λ, на доске в PARC». [7]
Одним из основных усилий в рамках СБИС было создание аппаратного и программного обеспечения, необходимого для автоматизации процесса проектирования, который на тот момент все еще в основном выполнялся вручную. Для проекта, содержащего сотни тысяч транзисторов, просто не существовало машины, кроме суперкомпьютера , который обладал бы памятью и производительностью, необходимыми для работы над проектом в целом.
Чтобы решить эту проблему и тем самым позволить «средним» компаниям использовать автоматизированные инструменты, VLSI профинансировала проекты Geometry Engine и Pixel-Planes в Стэнфордском университете и Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл (соответственно) для создания подходящего графического оборудования на уровне настольных компьютеров. . Первый развился в попытку разработать сетевую рабочую станцию САПР, известную как Сеть Стэнфордского университета . Сегодня это более известно под аббревиатурой «SUN», как в компании Sun Microsystems , которая коммерциализировала эту разработку.
Чтобы предоставить общую программную платформу для запуска этих новых инструментов, VLSI также профинансировала проект в Беркли по созданию стандартизированной реализации Unix , известной сегодня как Berkeley Software Distribution (BSD). Почти все ранние рабочие станции использовали BSD, включая разработки, которые развились в Sun, SGI , Apollo Computer и другие. Позже BSD породила несколько потомков: OpenBSD , FreeBSD , NetBSD и DragonFlyBSD .
Программное обеспечение САПР было важной частью усилий по созданию СБИС. Это привело к значительным улучшениям в технологии САПР для компоновки, проверки правил проектирования и моделирования. Инструменты, разработанные в рамках этой программы, широко использовались как в академических исследовательских программах, так и в промышленности. Идеи были развиты в коммерческой реализации такими компаниями, как VLSI Technology , Cadnetix и Synopsis.
Имея в распоряжении эти инструменты, другие проекты, финансируемые СБИС, смогли добиться огромных успехов в повышении сложности проектирования, положив начало RISC-революции. Двумя основными проектами, связанными с СБИС, были Беркли RISC и Стэнфордский MIPS , оба из которых в значительной степени полагались на инструменты, разработанные в предыдущих проектах СБИС. Чтобы позволить группам разработчиков создавать тестовые образцы, проект также профинансировал строительство собственного производственного предприятия MOSIS ( Служба внедрения металлооксидных полупроводников ), которое получало планы в электронном виде. MOSIS продолжает работать и сегодня.
Другой важной частью процесса производства MOSIS была разработка многочиповой пластины , которая позволяла использовать одну кремниевую пластину для одновременного производства нескольких микросхем. Раньше пластина обычно использовалась для производства одной конструкции, а это означало, что существовал определенный минимальный производственный цикл, который можно было бы рассмотреть для запуска. Напротив, многочиповую пластину можно изготовить небольшой партией микросхемы в середине более крупного тиража, что значительно снижает затраты на запуск и стадию прототипирования.
Программа VLSI DARPA основывалась на этих первых усилиях. Формально инициированная Робертом Каном в 1978 году, программа DARPA выросла из исследования, которое оно заказало корпорации RAND в 1976 году для оценки объема исследований, которые DARPA могло бы поддержать в СБИС (Sutherland, 1976).
MOSIS была основана в 1981 году Агентством перспективных исследований Министерства обороны США.