مشروع VLSI

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

كان مشروع VLSI برنامجًا تابعًا لـ DARPA بدأه روبرت كان في عام 1978 [ 1 ] والذي قدم تمويلًا بحثيًا لمجموعة متنوعة من الفرق الجامعية في محاولة لتحسين أحدث التقنيات في تصميم المعالجات الدقيقة ، والتي كانت تُعرف آنذاك باسم التكامل واسع النطاق جدًا (VLSI).

يُعد مشروع VLSI أحد أكثر مشاريع البحث تأثيرًا في تاريخ الحوسبة الحديث. ومن بين نتائجه نظام التشغيل يونكس (BSD) التابع لتوزيعة برمجيات بيركلي ، ومفهوم معالج RISC ( الحاسوب ذو مجموعة التعليمات المختصرة )، والعديد من أدوات التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) التي لا تزال مستخدمة حتى اليوم، ومحطة عمل رسومية 32 بت ، وشركات تصنيع وتصميم بدون مصانع ، ومصنع تصنيع أشباه الموصلات الخاص به ( MOSIS ) الذي بدأ العمل به عام 1981. [ 2 ] أما مشروع VHSIC ، وهو مشروع مماثل تابع لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) بالتعاون مع قطاع الصناعة، فلم يكن له تأثير يُذكر.

كان مشروع VLSI محورياً في الترويج لثورة ميد وكونواي في جميع أنحاء الصناعة.

مشروع

قواعد تصميم جديدة

في عام 1975، كتب كارفر ميد ، وتوم إيفرت، وإيفان ساذرلاند من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ( كالتك ) تقريرًا لوكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة (ARPA) حول موضوع الإلكترونيات الدقيقة. خلال السنوات القليلة السابقة، صاغ ميد مصطلح " قانون مور " لوصف تنبؤ غوردون مور عام 1965 بمعدل نمو التعقيد، وفي عام 1974، لاحظ روبرت دينارد من شركة آي بي إم أن تقلص الحجم الذي شكل أساس قانون مور يؤثر أيضًا على أداء الأنظمة. تشير هذه التأثيرات مجتمعة إلى أن زيادة هائلة في قوة الحوسبة على وشك أن تُطلق في الصناعة. [ 3 ] اقترح التقرير، الذي نُشر عام 1976، أن تمول وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة (ARPA) التطوير في عدد من المجالات للتعامل مع التعقيد الذي كان على وشك الظهور بسبب هذه "الدوائر المتكاملة واسعة النطاق للغاية". [ 4 ]

في وقت لاحق من ذلك العام، كتب ساذرلاند رسالة إلى شقيقه بيرت، الذي كان يعمل آنذاك في مركز أبحاث زيروكس بارك (PARC) . اقترح ساذرلاند جهدًا مشتركًا بين مركز أبحاث بارك ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) لبدء دراسة هذه المسائل. وافق بيرت على تشكيل فريق، ودعا لين كونواي ودوغ فيربيرن للانضمام إليه. كانت كونواي قد عملت سابقًا في شركة آي بي إم على مشروع حاسوب عملاق يُعرف باسم ACS-1 . بعد دراسة ملاحظات ميد، أدركت كونواي أن التوسع السريع المتوقع لتقنية CMOS سيُمكّنها من تجاوز أنظمة ECL الأسرع المستخدمة في الأنظمة الأكبر حجمًا، مع تقلص أحجام المكونات وتحقق توقعات دينارد للسرعة. كما أشار ذلك إلى أن جهاز ACS-1 الرئيسي بأكمله سيُمكن وضعه يومًا ما على شريحة واحدة. [ 4 ] في عام 1976، كتب ساذرلاند وميد مقالًا في مجلة ساينتفك أمريكان حول التحديات التي يفرضها هذا التعقيد الجديد. [ 5 ]

في ذلك الوقت، كان تصميم المعالجات الدقيقة قد وصل إلى مرحلة الركود عند مستوى 100,000 ترانزستور ، لأن الأدوات المتاحة للمصممين لم تكن قادرة على التعامل مع التصاميم الأكثر تعقيدًا. بدأت تصاميم 16 بت و16/32 بت بالظهور في السوق، لكن تجاوز ذلك بدا صعبًا ومكلفًا للغاية. رأى ميد وكونواي أنه لا توجد مشكلة نظرية تعيق التقدم، بل عدد من المشاكل العملية، فشرعا في حلها لجعل التصاميم الأكثر تعقيدًا ممكنة. ببساطة، كان الحل هو تبسيط كل شيء، وابتكار قواعد عملية جديدة للمصممين، وتطبيق الحواسيب على المشاكل الأكبر حجمًا. [ 5 ] وقد ساعد في هذه العملية ظهور منطق NMOS ذي نمط الاستنزاف ، الذي بسّط النموذج المفاهيمي للعناصر النشطة بشكل كبير. [ 6 ]

شهدت منتصف سبعينيات القرن الماضي فترة تغييرات متسارعة، حيث تم إدخال عمليات جديدة في مختلف الشركات بوتيرة سريعة. وأدت كل عملية جديدة إلى مجموعة من قواعد التصميم التي غالباً ما امتدت إلى 40 صفحة. وتضمنت هذه القواعد تفاصيل مثل "عدم وضع خطوط متوازية على طبقة التمعدن (MET) بمسافة تقل عن 2 ميكرومتر". وقد تم تطوير عشرات من هذه القواعد لكل طبقة لتحقيق أقصى أداء. في أوائل عام 1977، بدأت كونواي بتطوير مجموعة جديدة من القواعد العامة تماماً. لم تكن هذه القواعد تُحقق أعلى أداء ممكن لأي نظام مُحدد، ولكن فكرتها كانت أنها ستُقلل وقت التصميم بشكل كبير بحيث يُمكن تكييفها مع تقنية تصنيع جديدة مع تغييرات طفيفة أو بدون تغييرات على الإطلاق، ومن شأن هذه الخطوة أن تُحقق فائدة في الأداء تفوق أضعافاً مضاعفة ما يُمكن تحقيقه باستخدام جميع الحيل المنشورة في القواعد الحالية. [ 6 ]

بدأ كونواي بثلاثة أقلام سبورة ملونة، يمثل كل منها نوعًا من أنواع الطبقات (MET، POLY، DIFF)، ليضع مجموعة من قواعد التصميم التي تُطبّق على جميع العمليات الحالية. أدى التطوير اللاحق إلى إدراك إمكانية التعبير عن جميع الأبعاد كمضاعفات لأصغر حجم ممكن للميزة باستخدام تلك العملية، والذي عُرف باسم λ (الحرف اليوناني لامدا). حُدّد λ بنصف الحد الأدنى لعرض خط من طبقات POLY أو DIFF، وصُوّرت القواعد وفقًا لذلك: "يجب أن يكون عرض الخط ضعف λ"، "يجب أن يكون الخطان على نفس الطبقة على بُعد ثلاثة أضعاف λ على الأقل"، "يجب أن يكون الخطان على طبقات مختلفة على بُعد ضعف λ واحد"، وهكذا. كانت النتيجة النهائية مجموعة مختصرة من قواعد التصميم التي تُطبّق على أي مقياس. لاحقًا، أشار كونواي قائلًا: "أتذكر بوضوح دهشة ميد في صباح ذلك الربيع من عام 1977 عندما عرضتُ استراتيجيتي لقواعد λ على سبورة بيضاء في مركز أبحاث بالو ألتو (PARC)". [ 7 ]

عملية قائمة على الإنترنت

كان من أبرز الجهود المبذولة في إطار تقنية الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) ابتكار الأجهزة والبرامج اللازمة لأتمتة عملية التصميم، التي كانت آنذاك لا تزال يدوية إلى حد كبير. فبالنسبة لتصميم يحتوي على مئات الآلاف من الترانزستورات، لم يكن هناك ببساطة أي جهاز، باستثناء الحواسيب العملاقة ، يمتلك الذاكرة والأداء اللازمين للعمل على التصميم ككل.

لمعالجة هذه المشكلة، وبالتالي تمكين الشركات "العادية" من استخدام الأدوات الآلية، موّلت شركة VLSI مشروعي محرك الهندسة ومستويات البكسل في جامعة ستانفورد وجامعة نورث كارولينا في تشابل هيل (على التوالي) لإنشاء أجهزة رسومات مناسبة لأجهزة سطح المكتب. تطور المشروع الأول إلى جهد لتصميم محطة عمل CAD شبكية، تُعرف باسم شبكة جامعة ستانفورد . وتُعرف هذه الشبكة اليوم باسم "SUN"، نسبةً إلى شركة صن مايكروسيستمز ، التي قامت بتسويق التصميم.

ولتوفير منصة برمجية مشتركة لتشغيل هذه الأدوات الجديدة، مولت شركة VLSI أيضًا مشروعًا في بيركلي لتوفير تطبيق موحد لنظام يونكس ، يُعرف اليوم باسم توزيعة برمجيات بيركلي (BSD). استخدمت جميع محطات العمل المبكرة تقريبًا نظام BSD، بما في ذلك التصاميم التي تطورت لاحقًا إلى أنظمة Sun و SGI و Apollo Computer وغيرها. وقد انبثقت عن BSD لاحقًا عدة أنظمة فرعية، منها OpenBSD و FreeBSD و NetBSD و DragonFlyBSD .

كان برنامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) جزءًا أساسيًا من جهود تطوير الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI). وقد أدى ذلك إلى تحسينات كبيرة في تقنية CAD فيما يتعلق بالتخطيط، والتحقق من قواعد التصميم، والمحاكاة. استُخدمت الأدوات التي طُوّرت في هذا البرنامج على نطاق واسع في كلٍ من برامج البحث الأكاديمي والقطاع الصناعي. وطُوّرت هذه الأفكار في تطبيقات تجارية من قِبل شركات مثل VLSI Technology و Cadnetix وSynopsis.

بفضل هذه الأدوات، تمكنت مشاريع أخرى ممولة من تقنية VLSI من تحقيق قفزات هائلة في تعقيد التصميم، مما أدى إلى انطلاق ثورة RISC. كان مشروعا Berkeley RISC و Stanford MIPS من أبرز المشاريع المرتبطة بتقنية VLSI ، وكلاهما اعتمد بشكل كبير على الأدوات المطورة في مشاريع VLSI السابقة. ولتمكين فرق التصميم من إنتاج نماذج اختبارية، موّل المشروع أيضًا بناء منشأة تصنيع خاصة به، وهي MOSIS ( خدمة تنفيذ أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة )، التي كانت تتلقى المخططات إلكترونيًا. ولا تزال MOSIS تعمل حتى اليوم.

كان تطوير رقاقة السيليكون متعددة الرقائق جزءًا هامًا آخر من عملية تصنيع MOSIS ، حيث سمح باستخدام رقاقة سيليكون واحدة لإنتاج عدة تصميمات رقائق في آن واحد. سابقًا، كانت الرقاقة تُستخدم عادةً لإنتاج تصميم واحد، مما يعني وجود حد أدنى محدد للإنتاج يمكن البدء به. أما الآن، مع رقاقة السيليكون متعددة الرقائق، أصبح بالإمكان إنتاج دفعة صغيرة من تصميم رقاقة ما في منتصف عملية إنتاج أكبر، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة بدء التشغيل ومرحلة النماذج الأولية.

المحققون

النتائج المباشرة لمشروع VLSI

مراجع

  1. ↑ تمويل ثورة: الدعم الحكومي لأبحاث الحوسبة . دار النشر التابعة للأكاديمية الوطنية. 1999. doi : 10.17226/6323 . ISBN 978-0-309-06278-7تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 سبتمبر 2020. استند برنامج VLSI التابع لوكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA ) إلى هذه الجهود المبكرة. بدأ برنامج DARPA رسميًا على يد روبرت كان في عام 1978، ونشأ من دراسة كلفت بها الوكالة مؤسسة RAND في عام 1976 لتقييم نطاق البحث الذي يمكن أن تدعمه DARPA في مجال VLSI (ساذرلاند، 1976).
  2. ↑ بينا، كاليفورنيا (7 أغسطس 2002). "تطور برنامج MOSIS التعليمي لتقنية VLSI". وقائع ورشة العمل الدولية الأولى لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات حول تصميم الإلكترونيات واختبارها وتطبيقاتها لعام 2002. الصفحات 187-191 . doi : 10.1109/DELTA.2002.994612 . ISBN  0-7695-1453-7S2CID 35695273. بدأ مشروع MOSIS في عام 1981 من قبل وكالة برنامج البحوث الدفاعية المتقدمة التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية . 
  3. ↑ كونواي 2012 ، ص 5.
  4. 1 2 كونواي 2012 ، ص. 6.
  5. 1 2 كونواي 2012 ، ص. 7.
  6. 1 2 كونواي 2012 ، ص. 8.
  7. ↑ كونواي 2012 ، ص 10.

فهرس