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Integración a muy gran escala

Un chip de circuito integrado VLSI La integración a muy gran escala ( VLSI ) es el proceso de crear un circuito integrado (CI) mediante la combinación de millones o miles de mil...

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Un chip de circuito integrado VLSI

La integración a muy gran escala ( VLSI ) es el proceso de crear un circuito integrado (CI) mediante la combinación de millones o miles de millones de transistores MOS en un solo chip. La VLSI surgió en la década de 1970 con el desarrollo y la posterior adopción generalizada de los chips de circuitos integrados MOS (semiconductores de óxido metálico), lo que permitió el desarrollo de tecnologías complejas de semiconductores y telecomunicaciones . Los microprocesadores y los chips de memoria son dispositivos VLSI.

Antes de la introducción de la tecnología VLSI, la mayoría de los circuitos integrados tenían un conjunto limitado de funciones. Un circuito electrónico podía constar de una CPU , ROM , RAM y otros componentes lógicos de interconexión . La tecnología VLSI permite a los diseñadores de circuitos integrados integrar todos estos componentes en un solo chip .

Historia

Fondo

La historia del transistor se remonta a la década de 1920, cuando varios inventores intentaron crear dispositivos destinados a controlar la corriente en diodos de estado sólido y convertirlos en triodos. El éxito llegó después de la Segunda Guerra Mundial, cuando el uso de cristales de silicio y germanio como detectores de radar propició mejoras en la fabricación y la teoría. Los científicos que habían trabajado en el radar retomaron el desarrollo de dispositivos de estado sólido. Con la invención del primer transistor en los Laboratorios Bell en 1947, el campo de la electrónica pasó de las válvulas de vacío a los dispositivos de estado sólido . [ 1 ]

Con el pequeño transistor a sus manos, los ingenieros eléctricos de la década de 1950 vislumbraron las posibilidades de construir circuitos mucho más avanzados. Sin embargo, a medida que aumentaba la complejidad de los circuitos, surgieron problemas. [ 2 ] Uno de ellos era el tamaño del circuito. Un circuito complejo, como el de una computadora, dependía de la velocidad. Si los componentes eran grandes, los cables que los interconectaban debían ser largos. Las señales eléctricas tardaban en recorrer el circuito, lo que ralentizaba la computadora. [ 2 ]

La invención del circuito integrado por Jack Kilby y Robert Noyce resolvió este problema al fabricar todos los componentes y el chip a partir del mismo bloque (monolito) de material semiconductor. [ 3 ] Los circuitos se podían miniaturizar y el proceso de fabricación se podía automatizar. Esto dio lugar a la idea de integrar todos los componentes en una oblea de silicio monocristalino, lo que condujo a la integración a pequeña escala (SSI) a principios de la década de 1960 y, posteriormente, a la integración a mediana escala (MSI) a finales de la misma década. [ 4 ]

VLSI

General Micro-electronics presentó el primer circuito integrado MOS comercial en 1964. [ 5 ] A principios de la década de 1970, la tecnología de circuitos integrados MOS permitió la integración de más de 10 000 transistores en un solo chip. [ 6 ] Esto allanó el camino para VLSI en las décadas de 1970 y 1980, con decenas de miles de transistores MOS en un solo chip (más tarde cientos de miles, luego millones y ahora miles de millones).

Los primeros chips semiconductores contenían dos transistores cada uno. Los avances posteriores añadieron más transistores y, como consecuencia, con el tiempo se integraron más funciones o sistemas individuales. Los primeros circuitos integrados contenían solo unos pocos componentes, quizás hasta diez diodos , transistores , resistencias y condensadores , lo que permitía fabricar una o más puertas lógicas en un solo dispositivo. Conocida retrospectivamente como integración a pequeña escala (SSI), las mejoras en la técnica dieron lugar a dispositivos con cientos de puertas lógicas, conocidos como integración a mediana escala (MSI). Nuevas mejoras condujeron a la integración a gran escala (LSI), es decir, sistemas con al menos mil puertas lógicas. La tecnología actual ha superado con creces este hito y los microprocesadores actuales cuentan con millones de puertas y miles de millones de transistores individuales.

En su momento, se intentó nombrar y calibrar distintos niveles de integración a gran escala superiores a VLSI. Se utilizaban términos como integración a ultra gran escala (ULSI). Sin embargo, la enorme cantidad de compuertas y transistores disponibles en los dispositivos comunes ha hecho que estas distinciones sutiles sean irrelevantes. Los términos que sugieren niveles de integración superiores a VLSI ya no se utilizan de forma generalizada.

En 2008, los procesadores de mil millones de transistores se comercializaron. Esto se generalizó a medida que la fabricación de semiconductores avanzó desde la generación de procesadores de 65 nanómetros de aquel entonces . Los diseños actuales, a diferencia de los primeros dispositivos, utilizan una amplia automatización del diseño electrónico y síntesis lógica automatizada para la disposición de los transistores, lo que permite mayores niveles de complejidad en la funcionalidad lógica resultante. Ciertos bloques lógicos de alto rendimiento, como la celda SRAM ( memoria de acceso aleatorio estática ), todavía se diseñan manualmente para garantizar la máxima eficiencia. [ 7 ]

Diseño estructurado

El diseño VLSI estructurado es una metodología modular creada por Carver Mead y Lynn Conway para ahorrar área de microchip minimizando el área de la estructura de interconexión. Esto se logra mediante la disposición repetitiva de macrobloques rectangulares que se pueden interconectar mediante cableado por contacto . Un ejemplo es la partición del diseño de un sumador en una fila de celdas de segmento de bits iguales. En diseños complejos, esta estructuración se puede lograr mediante anidamiento jerárquico. [ 8 ]

El diseño VLSI estructurado fue popular a principios de la década de 1980, pero perdió popularidad posteriormente debido a la aparición de herramientas de colocación y enrutamiento que desperdiciaban mucha área en el enrutamiento , lo cual se tolera debido al progreso de la ley de Moore . Al introducir el lenguaje de descripción de hardware KARL a mediados de la década de 1970, Reiner Hartenstein acuñó el término "diseño VLSI estructurado" (originalmente como "diseño LSI estructurado"), haciéndose eco del enfoque de programación estructurada de Edsger Dijkstra mediante el anidamiento de procedimientos para evitar programas caóticos con estructura de espagueti .

Dificultades

A medida que los microprocesadores se vuelven más complejos debido a la miniaturización de la tecnología (véase la ley de Moore ), los diseñadores de microprocesadores se han enfrentado a varios desafíos que les obligan a pensar más allá del plano de diseño y a mirar hacia el futuro, a la era posterior al silicio:

  • Variación del proceso : A medida que las técnicas de fotolitografía se aproximan a las leyes fundamentales de la óptica, lograr una alta precisión en las concentraciones de dopaje y los cables grabados se vuelve más difícil y propenso a errores debido a la variación. Los diseñadores ahora deben simular múltiples escenarios del proceso de fabricación antes de que un chip se certifique como listo para la producción, o utilizar técnicas a nivel de sistema para abordar los efectos de la variación. [ 9 ] [ 10 ]
  • Reglas de diseño más estrictas : Debido a problemas de litografía y grabado con la escala, la verificación de las reglas de diseño para el trazado se ha vuelto cada vez más rigurosa. Los diseñadores deben tener en cuenta una lista cada vez mayor de reglas al trazar circuitos personalizados. El costo del diseño personalizado está llegando a un punto crítico, y muchas empresas de diseño están optando por cambiar a herramientas de automatización del diseño electrónico (EDA) para automatizar su proceso de diseño. [ 11 ]
  • Cierre de diseño /temporización : a medida que las frecuencias de reloj tienden a aumentar, a los diseñadores les resulta más difícil distribuir y mantener una baja desviación entre estos relojes de alta frecuencia en todo el chip. Esto ha generado un creciente interés en las arquitecturas multinúcleo y multiprocesador , ya que se puede obtener una aceleración general (véase la ley de Amdahl ) incluso con una frecuencia de reloj más baja, utilizando la potencia de cálculo de todos los núcleos. [ 12 ]
  • Éxito en el primer intento : a medida que el tamaño de los chips se reduce (debido a la miniaturización) y el tamaño de las obleas aumenta (debido a la disminución de los costos de fabricación), el número de chips por oblea se incrementa y la complejidad de fabricar fotomáscaras adecuadas aumenta rápidamente. Un juego de máscaras para una tecnología moderna puede costar varios millones de dólares. Este gasto no recurrente desalienta la antigua filosofía iterativa que implicaba varios "ciclos de giro" para encontrar errores en el silicio y fomenta el éxito en el primer intento. Se han desarrollado varias filosofías de diseño para ayudar a este nuevo flujo de diseño, incluyendo el diseño para la fabricación (DFM), el diseño para la prueba (DFT) y el diseño para X. [ 13 ]
  • Electromigración

Véase también

Referencias

  1. ↑ Zorpette, Glenn (20 de noviembre de 2022). "Cómo funcionó el primer transistor" . IEEE Spectrum .
  2. 1 2 "La historia del circuito integrado" . Nobelprize.org. Archivado del original el 29 de junio de 2018. Recuperado el 21 de abril de 2012 .
  3. ↑ "BBC - Historia - Figuras históricas: Kilby y Noyce (1923-2005)" . www.bbc.co.uk. Consultado el 10 de agosto de 2024 .
  4. ↑ O'Regan, Gerard (2016), "La invención del circuito integrado y el nacimiento de Silicon Valley", en O'Regan, Gerard (ed.), Introducción a la historia de la informática: una introducción a la historia de la informática , Temas de pregrado en ciencias de la computación, Cham: Springer International Publishing, pp. 93–100 , doi : 10.1007/978-3-319-33138-6_7 , ISBN  978-3-319-33138-6
  5. ↑ "1964: Se introduce el primer circuito integrado MOS comercial" . Museo de Historia de la Computación .
  6. ↑ Hittinger, William C. (1973). "Tecnología de semiconductores de óxido metálico". Scientific American . 229 (2): 48– 59. Bibcode : 1973SciAm.229b..48H . doi : 10.1038/scientificamerican0873-48 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24923169 .  
  7. ↑ "Diseño de circuitos VLSI con MOS y CMOS" . IJERT – Revista Internacional de Investigación y Tecnología en Ingeniería . Consultado el 15 de mayo de 2026 .
  8. ↑ Jain, BK (agosto de 2009). Electrónica digital: un enfoque moderno por BK Jain . Editorial Global Vision Publishing House. ISBN 978-81-8220-215-3Consultado el 2 de mayo de 2017 .
  9. ↑ Wu, Qiang; Li, Yanli; Yang, Yushu; Chen, Shoumian; Zhao, Yuhang (26 de junio de 2020). «La ley que guía el desarrollo de la tecnología de fotolitografía y la metodología en el diseño del proceso fotolitográfico». Conferencia Internacional de Tecnología de Semiconductores de China (CSTIC) 2020. IEEE. págs. 1–6 . doi : 10.1109/CSTIC49141.2020.9282436 . ISBN  978-1-7281-6558-5.
  10. ↑ "Explorando los desafíos del diseño VLSI: Navegando la complejidad para el éxito" . InSemi Tech . Consultado el 10 de agosto de 2024 .
  11. ^ Wang, Laung-Terng; Chang, Yao-Wen; Cheng, Kwang-Ting (Tim) (febrero de 2009). Automatización de diseños electrónicos: síntesis, verificación y prueba . San Francisco, CA, EE. UU.: Morgan Kaufmann Publishers Inc. ISBN 978-0-08-092200-3.
  12. ↑ "Desfase del reloj en STA" . 23 de junio de 2024. Consultado el 10 de agosto de 2024 .
  13. ↑ Rieger, Michael L. (26 de noviembre de 2019). "Retrospectiva sobre el escalado de valores VLSI y la litografía" . Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS . 18 (4) 040902. Bibcode : 2019JMM & M..18d0902R . doi : 10.1117/1.JMM.18.4.040902 . ISSN 1932-5150 . 

Lecturas adicionales

  • Baker, R. Jacob (2010). CMOS: Diseño, disposición y simulación de circuitos, tercera edición . Wiley-IEEE. pág.  1174. ISBN 978-0-470-88132-3.
  • Chen, Wai-Kai (2007). Manual de VLSI . Boca Raton, FL: CRC/Taylor & Francis. ISBN 978-1-4200-0596-7OCLC 83977431​​ 
  • Mead, Carver A .; Conway, Lynn (1980). Introducción a los sistemas VLSI . Boston: Addison-Wesley. ISBN 0-201-04358-0.
  • Weste, Neil HE y Harris, David M. (2010). Diseño CMOS VLSI: Una perspectiva de circuitos y sistemas, cuarta edición . Boston: Pearson/Addison-Wesley. pág.  840. ISBN 978-0-321-54774-3.
  • Conferencias sobre diseño e implementación de sistemas VLSI en la Universidad de Brown. Archivadas el 26 de junio de 2015 en Wayback Machine.
  • Diseño de sistemas VLSI
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