التكامل واسع النطاق للغاية
التكامل واسع النطاق للغاية ( VLSI ) هو عملية إنشاء دائرة متكاملة (IC) من خلال دمج ملايين أو مليارات من ترانزستورات MOS على شريحة واحدة. بدأ استخدام تقنية VLSI في سبعينيات القرن الماضي عندما طُوّرت رقائق الدوائر المتكاملة MOS (أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة) ثم انتشرت على نطاق واسع، مما أتاح تطوير تقنيات معقدة في مجال أشباه الموصلات والاتصالات . تُعد المعالجات الدقيقة ورقائق الذاكرة من أجهزة VLSI.
قبل ظهور تقنية VLSI، كانت معظم الدوائر المتكاملة ذات وظائف محدودة. قد تتكون الدائرة الإلكترونية من وحدة معالجة مركزية (CPU ) وذاكرة قراءة فقط (ROM ) وذاكرة وصول عشوائي (RAM) ومنطق ربط آخر . تُمكّن تقنية VLSI مصممي الدوائر المتكاملة من دمج كل هذه المكونات في شريحة واحدة .
تاريخ
خلفية
يعود تاريخ الترانزستور إلى عشرينيات القرن العشرين، عندما حاول العديد من المخترعين ابتكار أجهزة تهدف إلى التحكم في التيار الكهربائي في الثنائيات الصلبة وتحويلها إلى ثلاثيات. وتحقق النجاح بعد الحرب العالمية الثانية، عندما أدى استخدام بلورات السيليكون والجرمانيوم ككواشف للرادار إلى تحسينات في التصنيع والنظرية. وعاد العلماء الذين عملوا على الرادار إلى تطوير الأجهزة الصلبة. ومع اختراع أول ترانزستور في مختبرات بيل عام 1947، تحول مجال الإلكترونيات من الصمامات المفرغة إلى الأجهزة الصلبة . [ 1 ]
بفضل الترانزستور الصغير، أدرك مهندسو الكهرباء في خمسينيات القرن الماضي إمكانية بناء دوائر كهربائية أكثر تطورًا. إلا أنه مع ازدياد تعقيد الدوائر، ظهرت بعض المشكلات. [ 2 ] تمثلت إحدى هذه المشكلات في حجم الدائرة. فالدائرة المعقدة كالحاسوب تعتمد على السرعة. فإذا كانت المكونات كبيرة، يجب أن تكون الأسلاك التي تربطها طويلة. وتستغرق الإشارات الكهربائية وقتًا للانتقال عبر الدائرة، مما يؤدي إلى إبطاء الحاسوب. [ 2 ]
حلّ اختراع الدائرة المتكاملة على يد جاك كيلبي وروبرت نويس هذه المشكلة من خلال تصنيع جميع المكونات والشريحة من كتلة واحدة (مونوليث) من مادة أشباه الموصلات. [ 3 ] أصبح بالإمكان تصغير حجم الدوائر، وأتمتة عملية التصنيع. أدى ذلك 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 ]
VLSI
قدمت شركة جنرال مايكروإلكترونيكس أول دارة متكاملة تجارية بتقنية MOS في عام 1964. [ 5 ] في أوائل سبعينيات القرن العشرين، سمحت تقنية الدارة المتكاملة بتقنية MOS بدمج أكثر من 10000 ترانزستور في شريحة واحدة. [ 6 ] مهد هذا الطريق لتقنية VLSI في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين، حيث تم دمج عشرات الآلاف من ترانزستورات MOS على شريحة واحدة (ثم مئات الآلاف، ثم الملايين، والآن مليارات).
احتوت رقائق أشباه الموصلات الأولى على ترانزستورين فقط. ومع التطورات اللاحقة ، أُضيف المزيد من الترانزستورات، ونتيجةً لذلك، دُمجت المزيد من الوظائف أو الأنظمة الفردية بمرور الوقت. احتوت الدوائر المتكاملة الأولى على عدد قليل من المكونات، ربما عشرة ثنائيات وترانزستورات ومقاومات ومكثفات ، مما أتاح تصنيع بوابة منطقية واحدة أو أكثر على جهاز واحد. عُرفت هذه التقنية لاحقًا باسم التكامل صغير النطاق (SSI)، وأدت التحسينات التقنية إلى ظهور أجهزة تحتوي على مئات البوابات المنطقية، تُعرف باسم التكامل متوسط النطاق (MSI). ثم أدت تحسينات أخرى إلى التكامل واسع النطاق (LSI)، أي أنظمة تحتوي على ألف بوابة منطقية على الأقل. تجاوزت التكنولوجيا الحالية هذا الحد بكثير، وتحتوي المعالجات الدقيقة اليوم على ملايين البوابات ومليارات الترانزستورات الفردية.
في وقتٍ ما، بُذلت جهودٌ لتسمية ومعايرة مستويات التكامل واسع النطاق المختلفة التي تتجاوز مستوى التكامل واسع النطاق جدًا (VLSI). وقد استُخدمت مصطلحات مثل التكامل فائق الاتساع (ULSI). إلا أن العدد الهائل من البوابات والترانزستورات المتوفرة في الأجهزة الشائعة جعل هذه الفروقات الدقيقة غير ذات جدوى. ولم تعد المصطلحات التي تشير إلى مستويات تكامل أعلى من VLSI شائعة الاستخدام.
في عام 2008، أصبحت المعالجات ذات المليار ترانزستور متاحة تجاريًا. وقد ازداد هذا الأمر شيوعًا مع تطور صناعة أشباه الموصلات من الجيل الحالي آنذاك، وهو معالجات 65 نانومتر . تستخدم التصاميم الحالية، على عكس الأجهزة الأولى، أتمتة تصميم إلكتروني واسعة النطاق وتوليف منطقي آلي لترتيب الترانزستورات، مما يتيح مستويات أعلى من التعقيد في الوظائف المنطقية الناتجة. لا تزال بعض وحدات المنطق عالية الأداء، مثل خلية ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM )، تُصمم يدويًا لضمان أعلى كفاءة. [ 7 ]
التصميم الهيكلي
يُعدّ تصميم الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) المُهيكل منهجيةً معياريةً ابتكرها كارفر ميد ولين كونواي لتوفير مساحة الرقاقة الدقيقة عن طريق تقليل مساحة نسيج التوصيلات البينية. ويتحقق ذلك من خلال الترتيب المتكرر لوحدات ماكرو مستطيلة الشكل، والتي يمكن ربطها باستخدام التوصيلات المتداخلة . ومن الأمثلة على ذلك تقسيم تصميم جامع إلى صف من خلايا الشرائح المتساوية البتات. وفي التصاميم المعقدة، يمكن تحقيق هذا الهيكل من خلال التداخل الهرمي. [ 8 ]
كان تصميم الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) المهيكل شائعًا في أوائل ثمانينيات القرن العشرين، لكنه فقد شعبيته لاحقًا بسبب ظهور أدوات التخطيط والتوجيه التي تهدر مساحة كبيرة في التوجيه ، وهو أمر مقبول نظرًا لتقدم قانون مور . عند تقديم لغة وصف الأجهزة KARL في منتصف سبعينيات القرن العشرين، صاغ راينر هارتنشتاين مصطلح "تصميم الدوائر المتكاملة واسعة النطاق المهيكل" (وكان يُعرف في الأصل باسم "تصميم الدوائر المتكاملة واسعة النطاق المهيكل")، مستلهمًا بذلك نهج إدسكار ديكسترا في البرمجة المهيكلة من خلال تداخل الإجراءات لتجنب البرامج المعقدة ذات البنية المتشابكة.
الصعوبات
مع ازدياد تعقيد المعالجات الدقيقة نتيجة لتطور التكنولوجيا (انظر قانون مور )، واجه مصممو المعالجات الدقيقة العديد من التحديات التي أجبرتهم على التفكير فيما وراء مستوى التصميم، والتطلع إلى ما بعد السيليكون:
- تباين العمليات – مع اقتراب تقنيات الطباعة الضوئية من القوانين الأساسية للبصريات، أصبح تحقيق دقة عالية في تركيزات التطعيم والأسلاك المحفورة أكثر صعوبة وعرضة للأخطاء بسبب التباين. لذا، يتعين على المصممين الآن محاكاة مختلف مراحل عملية التصنيع قبل اعتماد الشريحة جاهزة للإنتاج، أو استخدام تقنيات على مستوى النظام للتعامل مع آثار التباين. [ 9 ] [ 10 ]
- قواعد تصميم أكثر صرامة - نظرًا لمشاكل الطباعة الحجرية والحفر المتعلقة بالتحجيم، أصبح التحقق من قواعد التصميم للتخطيط أكثر صرامة. يجب على المصممين مراعاة قائمة متزايدة باستمرار من القواعد عند تصميم الدوائر المخصصة. وصلت تكلفة التصميم المخصص الآن إلى نقطة حرجة، حيث اختارت العديد من شركات التصميم التحول إلى أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني (EDA) لأتمتة عملية التصميم الخاصة بها. [ 11 ]
- توقيت/ إغلاق التصميم – مع ازدياد ترددات الساعة ، يواجه المصممون صعوبة متزايدة في توزيع والحفاظ على انحراف منخفض بين ترددات الساعة العالية هذه عبر الشريحة بأكملها. وقد أدى ذلك إلى تزايد الاهتمام ببنى المعالجات متعددة النوى ، حيث يمكن تحقيق تسريع إجمالي (انظر قانون أمدال ) حتى مع تردد ساعة أقل باستخدام القدرة الحسابية لجميع النوى. [ 12 ]
- النجاح من المحاولة الأولى – مع تصغير أحجام الرقاقات (نتيجةً للتصغير) وزيادة أحجام الرقائق (نتيجةً لانخفاض تكاليف التصنيع)، يزداد عدد الرقاقات في كل رقاقة، وتزداد صعوبة تصنيع الأقنعة الضوئية المناسبة بسرعة. قد تصل تكلفة مجموعة الأقنعة لتقنية حديثة إلى عدة ملايين من الدولارات. هذه التكلفة غير المتكررة تُثني عن اتباع النهج التكراري القديم الذي يتضمن عدة دورات بحث لاكتشاف الأخطاء في السيليكون، وتشجع على النجاح من المحاولة الأولى. وقد طُوّرت العديد من فلسفات التصميم لدعم هذا النهج الجديد، بما في ذلك التصميم للتصنيع ( DFM)، والتصميم للاختبار (DFT)، والتصميم من أجل X. [ 13 ]
- الهجرة الكهربائية
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ زوربيت، جلين (20 نوفمبر 2022). "كيف عمل الترانزستور الأول" . مجلة IEEE Spectrum .
- ١ ٢ "تاريخ الدوائر المتكاملة" . Nobelprize.org. مؤرشف من الأصل في ٢٩ يونيو ٢٠١٨. تم الاطلاع عليه في ٢١ أبريل ٢٠١٢ .
- ↑ "بي بي سي - التاريخ - شخصيات تاريخية: كيلبي ونويس (1923-2005)" . www.bbc.co.uk. تاريخ الاطلاع: 10 أغسطس 2024 .
- ↑ أوريغان، جيرارد (2016)، "اختراع الدائرة المتكاملة وولادة وادي السيليكون"، في أوريغان، جيرارد (محرر)، مقدمة في تاريخ الحوسبة: مدخل إلى تاريخ الحوسبة ، موضوعات جامعية في علوم الحاسوب، تشام: دار نشر سبرينغر الدولية، ص 93-100 ، doi : 10.1007/978-3-319-33138-6_7 ، ISBN 978-3-319-33138-6
- ↑ "1964: طرح أول شريحة MOS تجارية" . متحف تاريخ الحاسوب .
- ↑ هيتينجر، ويليام سي. (1973). "تقنية أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة". مجلة ساينتفك أمريكان . 229 (2): 48-59 . Bibcode : 1973SciAm.229b..48H . doi : 10.1038/scientificamerican0873-48 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24923169 .
- ↑ "تصميم دوائر VLSI باستخدام MOS وCMOS" . المجلة الدولية لبحوث وتكنولوجيا الهندسة (IJERT) . تاريخ الاطلاع: 15 مايو 2026 .
- ↑ جاين، بي كي (أغسطس 2009). الإلكترونيات الرقمية - منهج حديث بقلم بي كي جاين . دار النشر غلوبال فيجن. رقم ISBN 978-81-8220-215-3تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 مايو 2017 .
- ↑ وو، تشيانغ؛ لي، يانلي؛ يانغ، يوشو؛ تشين، شوميان؛ تشاو، يوهانغ (26 يونيو 2020). "القانون الذي يوجه تطوير تقنية الطباعة الضوئية ومنهجية تصميم عملية الطباعة الضوئية". المؤتمر الدولي الصيني لتكنولوجيا أشباه الموصلات 2020 (CSTIC) . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 1-6 . doi : 10.1109/CSTIC49141.2020.9282436 . ISBN 978-1-7281-6558-5.
- ↑ "استكشاف تحديات تصميم الدوائر المتكاملة واسعة النطاق: التغلب على التعقيد لتحقيق النجاح" . InSemi Tech . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 أغسطس 2024 .
- ^ 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.
- ↑ "انحراف الساعة في STA" . 23 يونيو 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 أغسطس 2024 .
- ↑ ريجر، مايكل ل. (26 نوفمبر 2019). "نظرة استرجاعية على قياس قيمة VLSI والطباعة الحجرية" . مجلة الطباعة الحجرية الدقيقة/النانوية، وأنظمة MEMS، وأنظمة MOEMS . 18 (4) 040902. رمز Bibcode : 2019JMM & M..18d0902R . doi : 10.1117/1.JMM.18.4.040902 . ISSN 1932-5150 .
للمزيد من القراءة
- بيكر، ر. جاكوب (2010). CMOS: تصميم الدوائر، والتخطيط، والمحاكاة، الطبعة الثالثة . وايلي-IEEE. ص 1174. ISBN 978-0-470-88132-3.
- تشين، واي كاي (2007). دليل VLSI . بوكا راتون، فلوريدا: CRC/Taylor & Francis. ISBN 978-1-4200-0596-7. OCLC 83977431 .
- ميد، كارفر أ .؛ كونواي، لين (1980). مقدمة في أنظمة VLSI . بوسطن: أديسون-ويسلي. ISBN 0-201-04358-0.
- ويست، نيل إتش إي وهاريس، ديفيد إم. (2010). تصميم الدوائر المتكاملة بتقنية CMOS VLSI: منظور الدوائر والأنظمة، الطبعة الرابعة . بوسطن: بيرسون/أديسون-ويسلي. ص 840. ISBN 978-0-321-54774-3.
روابط خارجية
- محاضرات حول تصميم وتنفيذ أنظمة VLSI في جامعة براون، مؤرشفة بتاريخ 26 يونيو 2015 على موقع Wayback Machine.
- تصميم أنظمة VLSI
- هندسة الاتصالات
- الدوائر المتكاملة
- ترانزستورات MOSFET