Integración a muy gran escala

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La integración a muy gran escala ( VLSI ) es el proceso de creación de un circuito integrado (CI) mediante la combinación de millones o miles de millones de transistores MOS en un único chip. La VLSI comenzó en la década de 1970, cuando se desarrollaron chips de circuito integrado MOS (Metal Oxide Semiconductor) y luego se adoptaron ampliamente, lo que permitió tecnologías complejas de semiconductores y telecomunicaciones . Los chips de microprocesador y 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 que podían realizar. Un circuito electrónico podía constar de una CPU , ROM , RAM y otros elementos lógicos . La tecnología VLSI permite a los diseñadores de circuitos integrados añadir todos estos elementos en un solo chip .

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 condujo a mejoras en la fabricación y la teoría. Los científicos que habían trabajado en el radar volvieron al desarrollo de dispositivos de estado sólido. Con la invención del primer transistor en Bell Labs en 1947, el campo de la electrónica pasó de los tubos de vacío a los dispositivos de estado sólido . ^[1]

Con el pequeño transistor en sus manos, los ingenieros eléctricos de la década de 1950 vieron las posibilidades de construir circuitos mucho más avanzados. Sin embargo, a medida que la complejidad de los circuitos aumentó, surgieron problemas. ^[2] Uno de ellos era el tamaño del circuito. Un circuito complejo como un ordenador dependía de la velocidad. Si los componentes eran grandes, los cables que los interconectaban debían ser largos. Las señales eléctricas tardaban en pasar por el circuito, lo que ralentizaba el ordenador. ^[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 podían hacerse más pequeños y el proceso de fabricación podía automatizarse. Esto condujo a la idea de integrar todos los componentes en una oblea de silicio monocristalino, lo que dio lugar a la integración a pequeña escala (SSI) a principios de la década de 1960, y luego a la integración a mediana escala (MSI) a fines de la década de 1960. ^[4]

General Microelectronics introdujo 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 tenían 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 tenían sólo unos pocos dispositivos, quizá hasta diez diodos , transistores , resistencias y condensadores , lo que hacía posible fabricar una o más puertas lógicas en un único dispositivo. Ahora 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 media escala (MSI). Las mejoras posteriores dieron lugar a la integración a gran escala (LSI), es decir, sistemas con al menos mil puertas lógicas. La tecnología actual ha superado con creces esta marca y los microprocesadores actuales tienen muchos millones de puertas y miles de millones de transistores individuales.

En un momento dado, se intentó nombrar y calibrar varios niveles de integración a gran escala por encima de VLSI. Se utilizaban términos como integración a ultra gran escala (ULSI, por sus siglas en inglés). Pero la enorme cantidad de puertas y transistores disponibles en los dispositivos comunes ha hecho que esas distinciones tan sutiles sean irrelevantes. Los términos que sugieren niveles de integración superiores a VLSI ya no se utilizan ampliamente.

En 2008, los procesadores de mil millones de transistores comenzaron a comercializarse. Esto se volvió más común a medida que la fabricación de semiconductores avanzaba a partir de la generación actual de procesadores de 65 nm . Los diseños actuales, a diferencia de los primeros dispositivos, utilizan una amplia automatización del diseño y una síntesis lógica automatizada para diseñar 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 estática de acceso aleatorio ), todavía se diseñan a mano para garantizar la máxima eficiencia. ^{[ cita requerida ]}

El diseño VLSI estructurado es una metodología modular originada por Carver Mead y Lynn Conway para ahorrar área de microchip al minimizar el área de la estructura de interconexión. Esto se obtiene mediante la disposición repetitiva de macrobloques rectangulares que se pueden interconectar mediante cableado por empalme. Un ejemplo es la partición del diseño de un sumador en una fila de celdas con porciones de bits iguales. En diseños complejos, esta estructuración se puede lograr mediante anidamiento jerárquico. ^[7]

El diseño VLSI estructurado había sido popular a principios de la década de 1980, pero perdió su popularidad más tarde ^{[ cita requerida ]} debido a la llegada de herramientas de ubicación y enrutamiento que desperdiciaban una gran cantidad de área al enrutar , lo que se tolera debido al progreso de la Ley de Moore . Cuando presentó 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 la anidación de procedimientos para evitar programas caóticos con estructura de espagueti .

A medida que los microprocesadores se vuelven más complejos debido al escalamiento de la tecnología , los diseñadores de microprocesadores se han encontrado con varios desafíos que los obligan a pensar más allá del plano del diseño y mirar hacia el futuro después del silicio:

• Variación del proceso : a medida que las técnicas de fotolitografía se acercan a las leyes fundamentales de la óptica, lograr una alta precisión en las concentraciones de dopaje y en los cables grabados se vuelve más difícil y propenso a errores debido a la variación. Los diseñadores ahora deben simular en múltiples esquinas del proceso de fabricación antes de que un chip esté certificado como listo para la producción, o usar técnicas a nivel de sistema para lidiar con los efectos de la variación. ^{[8] [9]}
• Normas de diseño más estrictas : debido a problemas de litografía y grabado con el escalado, la verificación de las normas de diseño para el diseño se ha vuelto cada vez más estricta. Los diseñadores deben tener en cuenta una lista cada vez mayor de normas al diseñar circuitos personalizados. Los costes generales del diseño personalizado están llegando a un punto de inflexión, y muchas empresas de diseño están optando por cambiar a herramientas de automatización del diseño electrónico (EDA) para automatizar su proceso de diseño. ^[10]
• Cierre de diseño/temporización : a medida que las frecuencias de reloj tienden a aumentar, a los diseñadores les resulta cada vez más difícil distribuir y mantener un desfase de reloj bajo 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 incluso con una frecuencia de reloj más baja utilizando la potencia computacional de todos los núcleos. ^[11]
• Éxito en el primer paso : a medida que el tamaño de los troqueles se reduce (debido al escalado) y el tamaño de las obleas aumenta (debido a los menores costos de fabricación), aumenta la cantidad de troqueles por oblea y la complejidad de fabricar fotomáscaras adecuadas aumenta rápidamente. Un conjunto de máscaras para una tecnología moderna puede costar varios millones de dólares. Este gasto no recurrente disuade la antigua filosofía iterativa que implica varios "ciclos de centrifugado" para encontrar errores en el silicio y fomenta el éxito en el primer paso del silicio. Se han desarrollado varias filosofías de diseño para ayudar a este nuevo flujo de diseño, incluido el diseño para fabricación ( DFM ) , el diseño para prueba ( DFT ) y el diseño para X. ^[12]
• Electromigración

• Circuito integrado específico de la aplicación
• Cubo cósmico de Caltech
• Modelo de lógica de interfaz
• Lista de plantas de fabricación de semiconductores
• La revolución del diseño de chips VLSI de Mead-Conway
• Ingeniería neuromórfica
• Silicio policristalino
• Sistema en un chip (SoC)

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

• Conferencias sobre diseño e implementación de sistemas VLSI en la Universidad de Brown
• Diseño de sistemas VLSI