超大规模集成电路

超大规模集成电路集成度高的电路01发展历史发展现状生产商分类不足目录03050204基本信息超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegrationCircuit，VLSI）是一种将大量晶体管组合到单一芯片的集成电路，其集成度大于大规模集成电路。集成的晶体管数在不同的标准中有所不同。从1970年代开始，随着复杂的半导体以及通信技术的发展，集成电路的研究、发展也逐步展开。计算机里的控制核心微处理器就是超大规模集成电路的最典型实例，超大规模集成电路设计（VLSIdesign），尤其是数字集成电路，通常采用电子设计自动化的方式进行，已经成为计算机工程的重要分支之一。发展历史发展历史在1920年代，一些发明家试图掌握控制固态二极管中电流的方法，他们的构想在后来的双极性晶体管中得以实现。然而，他们的设想直到第二次世界大战结束之后才得以实现。在战争时期，人们把精力集中在制造雷达这样的军工产品，因此电子工业的发展并不如之后那样迅猛，不过人们对于半导体物理学的了解逐渐增加，制造工艺水平也逐渐提升。战后，许多科学家重新开始从事固态电子器件的研究。1947年，著名的贝尔实验室成功地研制了晶体管。自此，电子学的研究方向从真空管转向到了固态电子器件。晶体管在当时看来具有小型、高效的特点。1950年代，一些电子工程师希望以晶体管为基础，研制比以前更高级、复杂的电路充满了期待。然而，随着电路复杂程度的提升，技术问题对器件性能的影响逐渐引起了人们的注意。像计算机主板这样复杂的电路，往往对于响应速度有较高的要求。如果计算机的元件过于庞大，或者不同元件之间的导线太长，电信号就不能够在电路中以足够快的速度传播，这样会造成计算机工作缓慢，效率低下，甚至引起逻辑错误。1958年，德州仪器的杰克·基尔比找到了上述问题的解决方案。他提出，可以把电路中的所有元件和芯片用同一半导体材料块制成。当时他的同事们正在度假，他们结束度假后，基尔比立即展示了他的新设计。随后，他研制了一个这种新型电路的测试版本。1958年9月，第一个集成电路研制成功。分类分类集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路等。小规模集成电路于1960年出现，在一块硅片上包含10-100个元件或1-10个逻辑门。如逻辑门和触发器等。如果用小规模数字集成电路(SSI)进行设计组合逻辑电路时，是以门电路作为电路的基本单元，所以逻辑函数的化简应使使用的门电路的数目最少，而且门的输入端数目也最少。中规模集成电路（MediumScaleIntegration：MSI）1966年出现，在一块硅片上包含100-1000个元件或10-100个逻辑门。如：集成计时器，寄存器，译码器等。如果选用中规模集成电路(MSI)设计组合逻辑电路时，则以所用集成电路个数最少，品种最少，同时集成电路间的连线也最少。这往往需将逻辑函数表达式变换成选用电路所要求的表达形式，有时可直接用标准范式。MSI中规模组合逻辑器件功能虽然比小规模集成电路SSI强，但也不像大规模集成电路LSI那样功能专一化，这些器件产品的品种虽然不少，但也不可能完全符合使用者的要求，这就需要将多片级联以扩展其功能，而且还可以用一些标准的中规模继承组件来实现其它一些组合逻辑电路的设计。用中规模集成组件来进行组合逻辑电路设计时，其方法是选择合适的MSI后，将实际问题转化后的逻辑表达式变换为响应的MSI的表达形式。发展现状发展现状截至2012年晚期，数十亿级别的晶体管处理器已经得到商用。随着半导体制造工艺从32纳米水平跃升到下一步22纳米，这种集成电路会更加普遍，尽管会遇到诸如工艺角偏差之类的挑战。值得注意的例子是英伟达的GeForce700系列的首款显示核心，代号‘GK110’的图形处理器，采用了全部71亿个晶体管来处理数字逻辑。而Itanium的大多数晶体管是用来构成其3千两百万字节的三级缓存。IntelCorei7处理器的芯片集成度达到了14亿个晶体管。所采用的设计与早期不同的是它广泛应用电子设计自动化工具，设计人员可以把大部分精力放在电路逻辑功能的硬件描述语言表达形式，而功能验证、逻辑仿真、逻辑综合、布局、布线、版图等可以由计算机辅助完成。

不足不足由于技术规模不断扩大，微处理器的复杂程度也不断提高，微处理器的设计者已经遇到了若干挑战。1功耗、散热：随着元件集成规模的提升，单位体积产生的热功率也逐渐变大，然而器件散热面积不变，造成单位面积的热耗散达不到要求。同时，单个晶体管微弱亚阈值电流造成的静态功耗由于晶体管数量的大幅增加而变得日益显著。人们提出了一些低功耗设计技术，例如动态电压/频率调节（dynamicvoltageandfrequencyscaling(DVFS)），来降低耗散总功率。2工艺偏差：由于光刻技术受限于光学规律，更高精确度的掺杂以及刻蚀会变得更加困难，造成误差的可能性会变大。设计者必须在芯片制造前进行技术仿真。3更严格的设计规律：由于光刻和刻蚀工艺的问题，集成电路布局的设计规则必须更加严格。在设计布局时，设计者必须时刻考虑这些规则。定制设计的总开销已经达到了一个临界点，许多设计机构都倾向于始于电子设计自动化来实现自动设计。4设计收敛：由于数字电子应用的时钟频率趋于上升，设计者发现要在整个芯片上保持低时钟偏移更加困难。这引发了对于多核心、多处理器架构的兴趣（参见阿姆达尔定律）。生产商生产商“超大规模”，是好多年以前的说法了。最先进的制