VLSI: Ορισμός, Σχεδιασμός, Σημαντικοί κανόνες και κλιμάκωση

A. Τι είναι το VLSI;

Για να μάθουμε για το VLSI, πρέπει να γνωρίζουμε για IC ή ολοκληρωμένο κύκλωμα. Ένα IC είναι ένα τσιπ ή ένα πακέτο διεργασιών που περιέχει τρανζίστορ ή ψηφιακά κυκλώματα σε εκατομμύρια αριθμό.

Η ενσωμάτωση VLSI ή πολύ μεγάλης κλίμακας αναφέρεται στη διαδικασία ενσωμάτωσης τρανζίστορ (ειδικά Τρανζίστορ MOS) για τη διαμόρφωση IC.

Οι συσκευές VLSI αποτελούνται από χιλιάδες λογικές πύλες. Βοηθούν στη δημιουργία μεγάλων συστοιχιών μνήμης. Οι πίνακες χρησιμοποιούνται σε μικροελεγκτή και μικροεπεξεργαστές. Είναι δυνατή η ενσωμάτωση 104 έως 109 στοιχείων σε ένα μόνο τσιπ στην τυπική τεχνική σχεδίασης VLSI.

Β. Ιστορία και ιστορικό του VLSI

Το πρώτο τρανζίστορ εφευρέθηκε το 1947 από τους J. Barden, W. Shockley, W. Brattain στα Bell Laboratories. Και οι τρεις επιστήμονες έγιναν ευγενείς για την εφεύρεση το έτος 1956. Το μέγεθος των τρανζίστορ μειώθηκε με την πρόοδο στο χρόνο και την τεχνολογία.

Ο Jack Kilby και ο Robert Noyce βρήκαν την ιδέα του IC όπου τα εξαρτήματα συνδέονται σε ένα μόνο τσιπ. Αυτό βοήθησε μηχανικοί για να αυξήσουν την ταχύτητα της λειτουργίας διαφόρων κυκλωμάτων.

Ο νόμος του Moor: Το 1998, ο συνιδρυτής της Intel Corporation, Gordon Moor, προέβλεψε μια τάση στον αριθμό των εξαρτημάτων σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα.

Πρόβλεψε ότι -

«Ο αριθμός τρανζίστορ μέσα σε ένα μικροτσίπ διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια».

Η τάση ακολουθείται με ορισμένες εξαιρέσεις.

Αριθμός τρανζίστορ 750 px Moores Law 1970 2020
Γράφημα που δείχνει πώς ο κόσμος ακολούθησε τον νόμο του Μαυριτανού, Image Credit – Max Roser, Hannah Ritchie, Νόμισμα τρανζίστορ Moore's LawCC-BY 4.0

Η πρόοδος των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων οδηγεί στην ανακάλυψη πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης ή τεχνολογίας VLSI. Πριν την εφεύρεση του VLSI, υπήρχαν και άλλες τεχνολογίες ως βήματα. Συζητούνται παρακάτω.

  • Ενσωμάτωση SSI ή μικρής κλίμακας: Αυτός ο τύπος ολοκληρωμένων κυκλωμάτων περιέχει λιγότερες από δέκα λογικές πύλες. Αυτές οι πύλες IC έχουν πολλές πύλες ή σαγιονάρες που σχετίζονται με ένα πακέτο.
  • MSI ή Medium Scale Integration: Αυτά τα πακέτα περιέχουν δέκα έως χιλιάδες λογικές πύλες. Τα IC MSI μπορούν να δημιουργήσουν βασικές λογικές πύλες. Οι λογικές πύλες μπορούν περαιτέρω να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή διαδοχικών και συνδυαστικών κυκλωμάτων όπως - mux-demux, κωδικοποιητές-αποκωδικοποιητές, μάνδαλο, flip flop, μητρώα κ.λπ.
  • LSI ή ενσωμάτωση μεγάλης κλίμακας: Οι μονάδες LSI περιέχουν περισσότερες από εκατό πύλες. Τα LSI ICs δημιουργούν πιο περίπλοκες δομές κυκλωμάτων όπως - αριθμομηχανές, μίνι υπολογιστές κ.λπ.
  • VLSI ή Ενσωμάτωση πολύ μεγάλης κλίμακας: Περιέχει χιλιάδες λογικές πύλες.
  • ULSI ή Ενσωμάτωση εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας: Ένα μεμονωμένο τσιπ περιέχει περισσότερα από 10 ^ 9 στοιχεία.

Παρακάτω δίνεται μια επισκόπηση του μετασχηματισμού.

VLSI ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΛΙΜΑΚΕΣ
Διαφορετικό εύρος για σχεδιασμό ολοκλήρωσης κλίμακας (σε τυπικό σχεδιασμό VLSI> χρησιμοποιούνται 10000 πύλες ανά IC)

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για τα σχέδια VHDL!

Γ. Σχεδιασμός VLSI

Ένας σχεδιασμός VLSI έχει πολλά μέρη. Χρειάζεται σωστή και τέλεια φυσική, δομική και συμπεριφορική αναπαράσταση του κυκλώματος. Οι περιττές και επαναλαμβανόμενες πληροφορίες παραλείπονται για να δημιουργήσουν ένα καλό σύστημα έργων τέχνης. Επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας γραφική περιγραφή και συμβολική αναπαράσταση των εξαρτημάτων και των διασυνδέσεων.

Οι αρχιτεκτονικές VLSI χρησιμοποιούν τρανζίστορ πεδίου εφέ N-channel και συμπληρωματικό MOS. Τα συμπληρωματικά MOS ή CMOS χρειάζονται τόσο το N-channel όσο και το p-channel MOS FET για να κατασκευάζονται στο ίδιο υπόστρωμα.

Στη δεκαετία του 1980, η ζήτηση για αύξηση της πυκνότητας των πακέτων αυξήθηκε και επηρέασε την κατανάλωση ενέργειας των NMOS ICs. Η κατανάλωση ενέργειας έγινε τόσο υψηλή που η εξουδετέρωση της ισχύος δημιούργησε ένα σοβαρό πρόβλημα. Για την επίλυση του προβλήματος, η τεχνολογία CMOS εμφανίστηκε ως λύση.

CMOS παρέχει υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, υψηλό περιθώριο θορύβου και αμφίδρομη λειτουργία. Γι' αυτό λειτουργεί ομαλά ως διακόπτης.

Εφαρμόστε το VHDL χρησιμοποιώντας το Xilinx… Ξεκινήστε να κάνετε το πρώτο σας έργο εδώ!

D. Τρανζίστορ σε σχεδιασμό VLSI

Ο ημιαγωγός οξειδίου μετάλλου Τρανζίστορ εφέ πεδίου ή MOSFET είναι το βασικό συστατικό στα τσιπ VLSI υψηλής πυκνότητας.

Γιατί χρησιμοποιείται το FET στο VLSI;

Τα τρανζίστορ FET ή Field Effect είναι πιθανώς οι απλούστερες μορφές του τρανζίστορ. Τα FET χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο σε αναλογικές όσο και σε ψηφιακές εφαρμογές. Διαχωρίζονται από μια μεγάλη τιμή αντίστασης εισόδου και μικρότερο εμβαδόν και μέγεθος, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να σχηματίσουν κυκλώματα με χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούνται ευρέως στην ενσωμάτωση σε πολύ μεγάλη κλίμακα.

CMOS και n-channel MOS χρησιμοποιούνται για την απόδοση ισχύος τους.

Χαρακτηριστικά των τρανζίστορ NMOS

1024 px IGFET N Ch Enh Labelled.svg 1
Συμβολική αναπαράσταση του NMOS FET, Πηγή εικόνας - ανώνυμος, IGFET N-Ch Enh με ετικέτα, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons

Στην παραπάνω εικόνα εμφανίζεται ένα τρανζίστορ εφέ πεδίου NMOS με το ρεύμα αποστράγγισης και τις παραστάσεις τάσης τερματικού. Για NMOS FET, οι ακροδέκτες πηγής και αποστράγγισης είναι συμμετρικοί (αμφίδρομοι).

Όταν δεν υπάρχει φόρτιση στον ακροδέκτη της πύλης, η διαδρομή αποστράγγισης προς την πηγή λειτουργεί ως ανοιχτός διακόπτης. Καθώς ένα λεπτό στρώμα οξειδίου διαχωρίζει την πύλη από το υπόστρωμα, δίνει μια τιμή χωρητικότητας. Όταν ο ακροδέκτης πύλης συσσωρεύτηκε αρκετά θετικά φορτία, η τάση VGS υπερβαίνει ένα όριο τάσης VTH. Έτσι, τα ηλεκτρόνια προσελκύονται στην περιοχή κάτω από την πύλη για να δώσουν μια αγώγιμη διαδρομή μεταξύ της αποχέτευσης και της πηγής.

Η τάση πύλης ενισχύει την αγωγιμότητα του καναλιού εισάγοντας τη λειτουργία τρόπου βελτίωσης. ΒTH ~ = 0.2 VDD δίνει το VTH.

Ο πλειοψηφικός φορέας για αυτόν τον τύπο FET είναι τρύπες. Όταν η θετική πύλη προς την τάση πηγής ή VGS είναι μικρότερο από το V.TH, ο πλειοψηφικός φορέας ή οι οπές απωθούνται στο υπόστρωμα. Τώρα, στην επιφάνεια του τύπου p δεν υπάρχει φορέας. Δεν υπάρχει ρεύμα λόγω της περιοχής εξάντλησης.

Τώρα, όταν η πύλη προς την τάση πηγής αυξηθεί από την τάση κατωφλίου, μια υγιής ποσότητα φορέων μειοψηφίας προσελκύεται στην επιφάνεια (που στην περίπτωσή μας είναι το ηλεκτρόνιο). Έτσι, ένα κανάλι σχηματίζεται από στρώμα αναστροφής μεταξύ της πηγής και του τερματικού αποστράγγισης. 

Η παρακάτω έκφραση δίνει το τρέχον ID αποστράγγισης.

ID = Χρέωση που προκαλείται στο κανάλι (Q) / χρόνος διέλευσης (τ)

Ο χρόνος διέλευσης φορτίου τ είναι ο χρόνος που χρειάζεται ένας φορέας φόρτισης για να διασχίσει το κανάλι από το τερματικό πηγής έως το τερματικό αποστράγγισης. Για μικρή τιμή VDS,

τ = Απόσταση αποστράγγισης στην πηγή (L) / Ταχύτητα μετατόπισης ηλεκτρονίων (vd) = L / μ E = L2 / V.DS μ

E είναι το ηλεκτρικό πεδίο και δίνεται ως, Ε = VDs / Λ.

μ είναι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων. Είπαμε νωρίτερα ότι υπάρχει μια τιμή χωρητικότητας που δημιουργεί. Η χωρητικότητα δίνεται ως C = εA / D = εWL / D

Το W είναι το πλάτος, ενώ το D είναι το πάχος της στιβάδας δι-οξειδίου. Το ε αντιπροσωπεύει τη διαπερατότητα της στιβάδας οξειδίου. Για το διοξείδιο σιλικόνης, η αναλογία ε / ε0 έρχεται ως 4. Η χρέωση κατά τη μεταφορά είναι -

Ε = C (VGS - VTH - VDS/ 2) = (εWL / D) * (VGS - VTH - VDS/ 2)

Το ρεύμα αποστράγγισης δίνεται ως - ID = Q / τ = (μεW / LD) * (VGS - VTH - VDS/ 2) VDS

Η αντίσταση θα είναι R = VDS / ID = LD / [μεW * (VGS - VTH - VDS/ 2)]

Τα χαρακτηριστικά εξόδου ενός τρανζίστορ NMOS φαίνονται στο παρακάτω γράφημα.

Σχεδιασμός vLSI
Χαρακτηριστικά εξόδου ενός τρανζίστορ NMOS

Στην περιοχή κορεσμού, το ρεύμα αποστράγγισης λαμβάνεται ως -

ID = (μεW / 2LD) (VGS - VTH)2

Τα τρανζίστορ NMOS μπορούν επίσης να κατασκευαστούν με τις τιμές της τάσης κατωφλίου VTH <= 0. Τα τρανζίστορ αναφέρονται ως συσκευές τρόπου μείωσης.

Ε. Κανόνες σχεδίασης VLSI

Ο σχεδιασμός VLSI έχει ορισμένους βασικούς κανόνες. Οι κανόνες είναι συγκεκριμένα ορισμένες γεωμετρικές προδιαγραφές που απλοποιούν το σχεδιασμό της μάσκας διάταξης. Οι κανόνες παρέχουν λεπτομέρειες για τις ελάχιστες διαστάσεις, τις διατάξεις γραμμής και άλλα γεωμετρικά μέτρα που λαμβάνονται από τα όρια συγκεκριμένης εμπειρίας διανομής.

Αυτοί οι κανόνες βοηθούν τον σχεδιαστή να σχεδιάσει ένα κύκλωμα στη μικρότερη δυνατή περιοχή που επίσης χωρίς συμβιβασμούς με την απόδοση και την αξιοπιστία.

Υπάρχουν δύο σύνολα κανόνων σχεδιασμού.

  • Κανόνας του μικρού - Ο κανόνας εξελίσσεται γύρω από περιορισμούς εφαρμογής όπως - ελάχιστο μέγεθος χαρακτηριστικών, μικρότεροι επιτρεπόμενοι διαχωρισμοί λειτουργιών. Αναφέρονται σε σχέση με τα εύρη μικρομέτρων.
  • Κανόνες σχεδίασης με βάση την Lambda: Οι περιορισμοί στην απόσταση στη διάταξη εκφράζονται σε σχέση με την πρωτεύουσα μονάδα μήκους λάμδα. Οι κανόνες αναπτύχθηκαν για την απλούστευση των κανόνων μικρο-βιομηχανικών προτύπων. Αυτό επιτρέπει την κλιμάκωση της ικανότητας για διαφορετικές διαδικασίες. Η μονάδα μήκους λάμδα είναι η απόσταση κατά την οποία το γεωμετρικό χαρακτηριστικό ενός στρώματος μπορεί να αλληλεπικαλύπτεται με αυτό ενός άλλου στρώματος και καθορίζεται από τους περιορισμούς της τεχνολογίας διεργασίας.

Εάν η μονάδα μήκους είναι λάμδα, τότε όλα τα πλάτη, οι αποστάσεις και οι αποστάσεις εκφράζονται ως m * λάμδα. Το M είναι ο παράγοντας κλιμάκωσης. Η διάχυτη περιοχή έχει συντελεστή κλιμάκωσης τουλάχιστον 2 λάμδα. Σύμφωνα με τον κανόνα ασφαλούς αντίχειρα, οι διάχυτες περιοχές, οι οποίες δεν είναι συνδεδεμένες, έχουν διαχωρισμό 3 λάμδα. Οι μεταλλικές γραμμές έχουν ελάχιστο πλάτος και διαχωρισμό 3 λάμδα στο πρότυπο VLSI Design.

ΣΤ. Κλίμακα στο σχεδιασμό VLSI

Η πρόοδος στην τεχνολογία μας επιτρέπει να μειώσουμε το μέγεθος των συσκευών. Αυτή η διαδικασία μείωσης μεγέθους είναι γνωστή ως κλιμάκωση. Τα κύρια πλεονεκτήματα της κλιμάκωσης VLSI Design είναι ότι, όταν οι διαστάσεις ενός ολοκληρωμένου συστήματος κλιμακώνονται σε μειωμένο μέγεθος, η συνολική απόδοση του κυκλώματος βελτιώνεται. Άλλοι στόχοι της κλιμάκωσης είναι - μεγαλύτερη πυκνότητα πακέτου, μεγαλύτερη ταχύτητα εκτέλεσης, μειωμένο κόστος συσκευής.

Μερικά από τα πιο χρησιμοποιημένα μοντέλα κλιμάκωσης είναι -

  1. Κλίμακα σταθερού ηλεκτρικού πεδίου
  2. Κλίμακα σταθερής τάσης.

Για το σταθερό ηλεκτρικό πεδίο, τα μη γραμμικά εφέ εξαλείφονται καθώς το ηλεκτρικό πεδίο του κυκλώματος παραμένει το ίδιο. Για να κατανοήσουμε την κλιμάκωση στο VLSI Design, παίρνουμε δύο παραμέτρους ως α και β. Για σταθερό ηλεκτρικό πεδίο, β = α και για κλιμάκωση τάσης, β = 1.

Για περισσότερα άρθρα σχετικά με την Ηλεκτρονική κάντε κλικ εδώ