التكامل على نطاق واسع جدًا

الموسوعة الحرة

التكامل على نطاق واسع جدًا ( VLSI ) هو عملية إنشاء دائرة متكاملة (IC) من خلال الجمع بين ملايين أو مليارات ترانزستورات MOS على شريحة واحدة. بدأت تقنية VLSI في سبعينيات القرن العشرين عندما تم تطوير شرائح الدوائر المتكاملة MOS (أشباه الموصلات المصنوعة من أكسيد المعادن) ثم تم اعتمادها على نطاق واسع، مما أتاح تقنيات أشباه الموصلات والاتصالات المعقدة. المعالج الدقيق وشرائح الذاكرة هي أجهزة VLSI.

قبل تقديم تقنية VLSI، كانت معظم الدوائر المتكاملة تحتوي على مجموعة محدودة من الوظائف التي يمكنها القيام بها. قد تتكون الدائرة الإلكترونية من وحدة المعالجة المركزية وذاكرة القراءة فقط وذاكرة الوصول العشوائي ومنطق الغراء الآخر . تمكن تقنية VLSI مصممي الدوائر المتكاملة من إضافة كل هذه في شريحة واحدة .

قالب الدائرة المتكاملة VLSI

تاريخ

خلفية

يعود تاريخ الترانزستور إلى عشرينيات القرن العشرين عندما حاول العديد من المخترعين صنع أجهزة كانت تهدف إلى التحكم في التيار في الثنائيات ذات الحالة الصلبة وتحويلها إلى ثلاثيات. جاء النجاح بعد الحرب العالمية الثانية، عندما أدى استخدام بلورات السيليكون والجرمانيوم ككاشفات رادار إلى تحسينات في التصنيع والنظرية. عاد العلماء الذين عملوا على الرادار إلى تطوير أجهزة الحالة الصلبة. مع اختراع أول ترانزستور في مختبرات بيل عام 1947، تحول مجال الإلكترونيات من الصمامات المفرغة إلى أجهزة الحالة الصلبة . [1]

مع وجود الترانزستور الصغير بين أيديهم، رأى مهندسو الكهرباء في الخمسينيات من القرن العشرين إمكانيات بناء دوائر أكثر تقدمًا بكثير. ومع ذلك، مع تزايد تعقيد الدوائر، نشأت المشاكل. [2] كانت إحدى المشكلات هي حجم الدائرة. تعتمد الدائرة المعقدة مثل الكمبيوتر على السرعة. إذا كانت المكونات كبيرة، فيجب أن تكون الأسلاك التي تربط بينها طويلة. تستغرق الإشارات الكهربائية وقتًا طويلاً للمرور عبر الدائرة، مما يؤدي إلى إبطاء الكمبيوتر. [2]

حل اختراع الدائرة المتكاملة بواسطة جاك كيلبي وروبرت نويس هذه المشكلة من خلال صنع جميع المكونات والشريحة من نفس الكتلة (المونوليث) من مادة أشباه الموصلات. [3] يمكن جعل الدوائر أصغر حجمًا، ويمكن أتمتة عملية التصنيع. أدى هذا إلى فكرة دمج جميع المكونات على رقاقة سيليكون أحادية البلورة، مما أدى إلى التكامل على نطاق صغير (SSI) في أوائل الستينيات، ثم التكامل على نطاق متوسط ​​(MSI) في أواخر الستينيات. [4]

دائرة متكاملة واسعة النطاق

قدمت شركة جنرال ميكروإلكترونيكس أول دائرة متكاملة تجارية من MOS في عام 1964. [5] وفي أوائل سبعينيات القرن العشرين، سمحت تقنية الدائرة المتكاملة MOS بدمج أكثر من 10000 ترانزستور في شريحة واحدة. [6] مهد هذا الطريق لـ VLSI في السبعينيات والثمانينيات، مع عشرات الآلاف من ترانزستورات MOS على شريحة واحدة (لاحقًا مئات الآلاف، ثم الملايين، والآن المليارات).

احتوت أول شرائح أشباه الموصلات على ترانزستورين لكل منهما. أضافت التطورات اللاحقة المزيد من الترانزستورات، ونتيجة لذلك، تم دمج المزيد من الوظائف أو الأنظمة الفردية بمرور الوقت. احتوت الدوائر المتكاملة الأولى على عدد قليل من الأجهزة، ربما ما يصل إلى عشرة ثنائيات وترانزستورات ومقاومات ومكثفات ، مما يجعل من الممكن تصنيع بوابة منطقية واحدة أو أكثر على جهاز واحد. أدت التحسينات في التقنية، المعروفة الآن بأثر رجعي باسم التكامل على نطاق صغير (SSI)، إلى أجهزة تحتوي على مئات البوابات المنطقية، والمعروفة باسم التكامل على نطاق متوسط ​​(MSI). أدت التحسينات الإضافية إلى التكامل على نطاق واسع (LSI)، أي الأنظمة التي تحتوي على ألف بوابة منطقية على الأقل. لقد تجاوزت التكنولوجيا الحالية هذه العلامة بكثير وتحتوي المعالجات الدقيقة اليوم على ملايين البوابات ومليارات الترانزستورات الفردية.

في وقت ما، كانت هناك محاولة لتسمية ومعايرة مستويات مختلفة من التكامل واسع النطاق فوق VLSI. تم استخدام مصطلحات مثل التكامل واسع النطاق للغاية (ULSI). لكن العدد الهائل من البوابات والترانزستورات المتاحة على الأجهزة الشائعة جعل مثل هذه التمييزات الدقيقة غير ذات جدوى. لم تعد المصطلحات التي تشير إلى مستويات تكامل أكبر من VLSI مستخدمة على نطاق واسع.

في عام 2008، أصبحت المعالجات التي تحتوي على مليار ترانزستور متاحة تجاريًا. وأصبح هذا أكثر شيوعًا مع تقدم تصنيع أشباه الموصلات من الجيل الحالي من معالجات 65 نانومتر . تستخدم التصميمات الحالية، على عكس الأجهزة الأولى، أتمتة تصميم مكثفة وتوليف منطقي آلي لوضع الترانزستورات، مما يتيح مستويات أعلى من التعقيد في وظيفة المنطق الناتجة. لا تزال بعض كتل المنطق عالية الأداء، مثل خلية SRAM ( ذاكرة الوصول العشوائي الساكنة )، مصممة يدويًا لضمان أعلى كفاءة. [ بحاجة لمصدر ]

التصميم المنظم

تصميم VLSI المنظم هو منهجية معيارية ابتكرها كارفر ميد ولين كونواي لتوفير مساحة الشريحة الدقيقة من خلال تقليل مساحة نسيج التوصيل. يتم الحصول على ذلك من خلال الترتيب المتكرر لكتل ​​الماكرو المستطيلة التي يمكن توصيلها ببعضها البعض باستخدام الأسلاك عن طريق الدعامة. أحد الأمثلة على ذلك هو تقسيم تخطيط المجمع إلى صف من خلايا شرائح البت المتساوية. في التصميمات المعقدة، يمكن تحقيق هذا الهيكل من خلال التعشيش الهرمي. [7]

كان تصميم VLSI المنظم شائعًا في أوائل الثمانينيات، لكنه فقد شعبيته لاحقًا [ بحاجة لمصدر ] بسبب ظهور أدوات التنسيب والتوجيه التي أهدرت الكثير من المساحة عن طريق التوجيه ، وهو أمر مقبول بسبب تقدم قانون مور . عند تقديم لغة وصف الأجهزة KARL في منتصف السبعينيات، صاغ راينر هارتنشتاين مصطلح "تصميم VLSI المنظم" (في الأصل باسم "تصميم LSI المنظم")، مما يعكس نهج البرمجة المنظمة لإدسجر ديكسترا من خلال تعشيش الإجراءات لتجنب البرامج المنظمة الفوضوية .

الصعوبات

مع تزايد تعقيد المعالجات الدقيقة بسبب التوسع التكنولوجي ، واجه مصممو المعالجات الدقيقة العديد من التحديات التي تجبرهم على التفكير خارج نطاق التصميم، والتطلع إلى ما بعد السيليكون:

  • تباين العملية – مع اقتراب تقنيات الطباعة الضوئية من القوانين الأساسية للبصريات، أصبح تحقيق دقة عالية في تركيزات المنشطات والأسلاك المحفورة أكثر صعوبة وعرضة للأخطاء بسبب التباين. يتعين على المصممين الآن محاكاة زوايا متعددة لعملية التصنيع قبل اعتماد الشريحة لتكون جاهزة للإنتاج، أو استخدام تقنيات على مستوى النظام للتعامل مع تأثيرات التباين. [8] [9]
  • قواعد تصميم أكثر صرامة - نظرًا لمشاكل الطباعة الحجرية والحفر مع التدرج، أصبحت قواعد فحص التصميم للتخطيط أكثر صرامة على نحو متزايد. يجب على المصممين أن يضعوا في اعتبارهم قائمة متزايدة باستمرار من القواعد عند تصميم الدوائر المخصصة. لقد وصلت التكلفة العامة للتصميم المخصص الآن إلى نقطة تحول، حيث اختارت العديد من بيوت التصميم التحول إلى أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني (EDA) لأتمتة عملية التصميم الخاصة بهم. [10]
  • إغلاق التوقيت/التصميم – نظرًا لأن ترددات الساعة تميل إلى الارتفاع، يجد المصممون صعوبة أكبر في توزيع والحفاظ على انحراف منخفض للساعة بين هذه الساعات عالية التردد عبر الشريحة بأكملها. وقد أدى هذا إلى زيادة الاهتمام بالهندسة المعمارية متعددة النواة ومتعددة المعالجات ، حيث يمكن الحصول على تسريع إجمالي حتى مع تردد ساعة أقل باستخدام القوة الحسابية لجميع النوى. [11]
  • النجاح من المرة الأولى - مع انكماش أحجام القوالب (بسبب التوسع)، وزيادة أحجام الرقاقة (بسبب انخفاض تكاليف التصنيع)، يزداد عدد القوالب لكل رقاقة، وتزداد تعقيدات صنع أقنعة ضوئية مناسبة بسرعة. يمكن أن تكلف مجموعة الأقنعة لتقنية حديثة عدة ملايين من الدولارات. هذه النفقات غير المتكررة تردع الفلسفة التكرارية القديمة التي تنطوي على العديد من "دورات الدوران" للعثور على الأخطاء في السيليكون، وتشجع نجاح السيليكون من المرة الأولى. تم تطوير العديد من فلسفات التصميم لمساعدة تدفق التصميم الجديد هذا، بما في ذلك التصميم للتصنيع ( DFM )، والتصميم للاختبار ( DFT )، والتصميم لـ X. [ 12 ]
  • الهجرة الكهربائية

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ Zorpette, Glenn (20 نوفمبر 2022). "كيف عمل الترانزستور الأول". IEEE Spectrum .
  2. ^ "تاريخ الدائرة المتكاملة". Nobelprize.org. مؤرشف من الأصل في 29 يونيو 2018. تم الاسترجاع 21 أبريل 2012 .
  3. ^ "BBC - History - Historic Figures: Kilby and Noyce (1923-2005)". www.bbc.co.uk . تم الاسترجاع في 10 أغسطس 2024 .
  4. ^ أوريجان، جيرارد (2016)، أوريجان، جيرارد (محرر)، "اختراع الدائرة المتكاملة وميلاد وادي السيليكون"، مقدمة لتاريخ الحوسبة: مقدمة لتاريخ الحوسبة ، مواضيع جامعية في علوم الكمبيوتر، شام: دار النشر سبرينغر الدولية، ص 93-100، doi :10.1007/978-3-319-33138-6_7، ISBN 978-3-319-33138-6تم الاسترجاع في 10 أغسطس 2024
  5. ^ "1964: أول دائرة متكاملة MOS تجارية يتم تقديمها". متحف تاريخ الكمبيوتر .
  6. ^ هيتينجر، ويليام سي. (1973). "تكنولوجيا أشباه الموصلات المعدنية والأكسيدية". مجلة ساينتفك أمريكان . 229 (2): 48-59. رمز Bibcode :1973SciAm.229b..48H. doi :10.1038/scientificamerican0873-48. ISSN  0036-8733. JSTOR  24923169.
  7. ^ جاين، بي كيه (أغسطس 2009). الإلكترونيات الرقمية - نهج حديث، بقلم بي كيه جاين. دار نشر جلوبال فيجن. رقم ISBN 9788182202153تم الاسترجاع بتاريخ 2 مايو 2017 .
  8. ^ وو، تشيانغ؛ لي، يانلي؛ يانغ، يوشو؛ تشن، شوميان؛ تشاو، يوهانغ (26 يونيو 2020). "القانون الذي يوجه تطوير تكنولوجيا الطباعة الضوئية والمنهجية في تصميم عملية الطباعة الضوئية". مؤتمر تكنولوجيا أشباه الموصلات الدولي الصيني لعام 2020 (CSTIC) . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. ص. 1-6. doi :10.1109/CSTIC49141.2020.9282436. ISBN 978-1-7281-6558-5.
  9. ^ "استكشاف تحديات تصميم VLSI: التعامل مع التعقيد لتحقيق النجاح". InSemi Tech . تم الاسترجاع في 10 أغسطس 2024 .
  10. ^ وانغ ، لاونج تيرينج. تشانغ، ياو ون؛ تشينج كوانج تينج (تيم) (فبراير 2009). أتمتة التصميم الإلكتروني: التوليف والتحقق والاختبار. سان فرانسيسكو، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية: Morgan Kaufmann Publishers Inc. ISBN 978-0-08-092200-3.
  11. ^ "انحراف الساعة في STA". 23 يونيو 2024. تم الاسترجاع في 10 أغسطس 2024 .
  12. ^ ريجر، مايكل إل. (26 نوفمبر 2019). "نظرة استعادية على مقياس قيمة VLSI والطباعة الحجرية". مجلة الطباعة الحجرية الدقيقة/النانوية، وأنظمة MEMS، وMOEMS . 18 (4): 040902. رمز Bibcode : 2019JMM&M..18d0902R. doi : 10.1117/1.JMM.18.4.040902. ISSN  1932-5150.

قراءة إضافية

  • بيكر، ر. جاكوب (2010). CMOS: تصميم الدوائر وتخطيطها والمحاكاة، الطبعة الثالثة . وايلي-معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. ص. 1174. رقم ISBN 978-0-470-88132-3.
  • ويست، نيل هي وهاريس، ديفيد م. (2010). تصميم دائرة متكاملة فائقة الاتساع من نوع CMOS: منظور الدوائر والأنظمة، الطبعة الرابعة . بوسطن: بيرسون/أديسون-ويسلي. ص. 840. رقم ISBN 978-0-321-54774-3.
  • تشين، واي كاي (2007). دليل VLSI . بوكا راتون، فلوريدا: CRC/Taylor & Francis. ISBN 978-1-4200-0596-7. OCLC  83977431.
  • Mead, Carver A .; Conway, Lynn (1980). Introduction to VLSI systems . Boston: Addison-Wesley. ISBN 0-201-04358-0.
  • محاضرات حول تصميم وتنفيذ أنظمة VLSI في جامعة براون
  • تصميم أنظمة VLSI
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=التكامل-على-نطاق-واسع جدًا&oldid=1250384532"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate