Proiectare cu VLSI - VLSI Design

Circuitele integrate VLSI reprezintă vârful tehnologiei electronicii în domeniul integrării.

Denumirea provine de la expresia Very Large Scale Integration (VLSI) şi cuprinde circuite

integrate cu mare densitate de integrare conţinând peste 10.000 de tranzistori pe chip într-un

singură capsulă. Cu toate că actual se mai foloseşte denumirea Ultra Large Scale Integration

(ULSI) pentru circuite integrate cu densitate de peste un milion de tranzistori pe chip, clasa

VLSI cuprinde şi categoria ULSI.

Etapele importante ale dezvoltării electronicii, microelectronicii şi circuitelor VLSI sunt

prezentate succint în continuare.

- 1940: Ohl dezvoltă joncţiunea pn.

- 1945: Se realizează laboratorul lui Shockley.

- 1947: Bardeen şi Brattain creează trazistorul cu contact punctiform cu 2 joncţiuni

pn, cu amplificare de 18.

- 1951: Shockley dezvoltă tranzistorul joncţiune care poate fi fabricat industrial.

- 1954: Primul radio cu tranzistori. De asemenea, Texas Instruments realizează

primul tranzistor cu silicon (preţul 2.50$).

- 1959: Jack Kilby, lucrând la Texas Instruments, a avut ideea unui „circuit

integrat” monolitic. Până la sfârşitul anului a construit câteva exemple, inclusiv un

bistabil (flip-flop) pe care l-a patentat. Componentele sunt conectate prin fire

cositorite manual iar ca rezistori sunt utilizate diode pn.

- 1953-1955: Robert Noyce care a făcut, la sfârşitul anilor `40, diferite experimente

cu tranzistori, la cologiul la fizică, a mers apoi la MIT unde, spre surprinderea sa,

a constatat că puţină lume auzise de trazistor. După finalizarea doctoratului, a

lucrat în industrie, ajungând în final la la Shockley Semiconductor Labs.

- 1957: Noyce a plecat de la laboratorul lui Scockley pentru a forma Fairchild

Semiconductor împreună cu Jean Hoerni şi Gordon Moore.

- 1958: Hoerni inventează tehnica de difuzie a impurităţilor în silicon pentru a

construi tranzistori planari utilizând izolator SiO2.

- 1959: Noyce dezvoltă primul circuit integrat (IC) adevărat utilizând tranzistori

planari, joncţiuni pn spate-în-spate pentru izolare, rezistori din diode şi izolatori

SiO2 cu legături cu metal evaporat pe deasupra.

- 1961: TI şi Fairchild au introdus primele circuite integrate logice (costul

aproximativ 50$, în cantităţi mari). Aceştia erau bistabili dubli cu 4 tranzistori.

- 1963: Densităţile şi producţiile se îmbunătăţesc. Apar circuite cu 4 bistabili. Apare

tehnologia MOS, la început NMOS, apoi PMOS şi bazele CMOS.

- 1967: Fairchild scoate pe piaţă primul circuit integrat MSI cu 150 de porţi logice,

cu tranzistori uşor de recablat utilizând interconexiuni pe 2 straturi pentru a crea

diferite circuite. În această perioadă dispozitive logice strandard erau majoritare şi

cablajele electronice (PCB) erau încărcate cu acestea. Apoi, cineva şi-a pus

problema „Dacă am da proiectantului posibilitatea de a implementa diferite

interconxiuni într-un dispozitiv mai mare?”. Aceasta ar permite proiectantului să

integreze multe dispozitive logice standard într-un singur chip. Pentru a asigura

maximul de flexibilitate în proiectare, Ron Cline de la Signetics (care a fost apoi

cumpărat de Philips şi apoi chiar de Xilinx) a avut ideea de două planuri

programabile. Cele două planuri programabile asigură orice combinaţie de porţi

AND şi OR şi folosirea în comun a termenilor AND de către mai multe porţi OR.

Acestea sunt primele circuite de tip Programmable Logic Array (PLA), ce

constituie începutul producerii circuitelor VLSI. Această arhitectură a fost foarte

flexibilă, dar la acel moment datorită geometriei de 10μm, întârzierea dintre

intrare şi ieşire sau propagarea (Tpd) era foarte mare şi astfel dispozitivele erau

relativ lente.

- 1968: Noyce şi Moore au părăsit firma Fairchild şi au fondat Intel. Fără vreun plan

de afaceri, doar cu gândul de a se specializa în chip-uri de memorie. Au strâns 3

milioane $ în două zile şi s-au mutat în Santa Clara. Până în 1971 Intel avea 500

angajaţi, iar în 1983 avea 21.500 de angajaţi şi vânzări de 1.100 milioane $.

- 1970: Ţinându-şi promisiunea făcută investitorilor, Intel a început vânzarea chipurilor

RAM de 1Kbit, denumite 1103. Erau foarte dificil de interfaţat, dar

densitatea lor şi preţul le-au făcut mult utilizate.

- 1971: Ted Hoff de la Intel introduce primul microprocesor, bazat pe tehnologia

NMOS, denumite I-4004 ce aveau magistrale de 4 biţi şi un clock de 108kHz.

Avea 2300 de tranzistori şi era construit printr-un proces de 10μm. Nu a fost prea

popular niciodată pe piaţă şi curând a fost eclipsat de fraţii săi mai puternici.

- 1972: Apare I8008 cu 3500 de tranzistori având magistrală de 8 biţi (un octet). În

ciuda limitărilor sale, I8008 a fost primul microprocesor capabil să joace rolul de

unitate centrală (CPU) a unui computer.

- 1974: Apare I8080 având 6000 de tranzistori, într-un proces de 6μm. Clock-ul de

2MHz, mai mult ca suficient pentru a porni industria calculatoarelor PC. Cel puţin

aşa au crezut Paul Allen şi Bill Gates în 1975 atunci când au scris interpretorul de

BASIC pentru I8080.

- 1977: Legea lui Moore de caracterizare a „dimensiunii” circuitelor spune că

numărul de componente pe chip creşte de 4 ori la fiecare 24 de luni. Această

creştere a fost mai lentă în ultimii ani.

- Anii `80: Dezvoltarea sistemelor VLSI a progresat, din punct de vedere istoric,

mână în mână cu inovaţiile tehnologice. Adesea, realizările proaspete din

litografie, dispozitive semiconductoare sau metalizare au condus la introducerea

de noi produse. Cereile pieţei pentru anumite produse sau specificaţii au influenţat

mult cercetările din domeniul tehnologiilor capabile să asigure produsele

respective. Ca rezultat, multe sisteme VLSI convenţionale au necesitat tehnologii

foarte specilizate pentru producere.

În contrast, o caracteristică a produselor VLSI este integrarea diferitelor sisteme,

fiecare dintre acestea necesitând anterior o tehnologie unică, într-o singură

platformă. Forţa motrice din spatele acestei tendinţe este cererea consumatorilor şi

cea din sectorul necomercial pentru produse electronice compacte, portabile, fără

fir – noua eră a sistemelor îmtr-un singur chip („sistem-on-a-chip”).

Majoritatea realizărilor în integrarea sistemelor dense a derivat din scalarea în

procesele VLSI de silicon. Pe măsură ce fabricaţia s-a îmbunătăţit, a devenit mai

rentabil din punct de vedere al costului ca în multe aplicaţii să se înlocuiască o

mulţime de chip-uri cu un singur IC: costurile de încapsulare scad, se micşorează

căile de intreconexiune şi se reduc pierderile de energie în driver-ele de I/O.

Scalările ulterioare până la dimensiuni submicronice vor continua să lărgească

aplicaţiile cu sisteme VLSI integrate, dar vor conduce şi la complexităţi

suplimentare legate de fiabilitate, interconexiune şi litografiere. Această evoluţie

ridică problema nivelului optim de integrare: nivelul capsulei sau nivelul chipului.

Fiecare are avantaje diferite şi unele deficienţe critice privind costul,

fiabilitatea şi performanţa.