超大规模集成电路技术的历史及其在现代技术中的应用

2022年3月17日

关键的外卖

●了解VLSI技术。

●进一步了解VLSI技术的优势。

●了解VLSI技术如何应用于当今的设备和系统。

VLSI为集成电路设计人员提供了利用更少空间进行设计的能力。

通常，电子电路在单个PCBA上包含CPU、RAM、ROM和其他外围设备。然而，超大规模集成(VLSI)技术使IC设计人员能够将所有这些添加到一个芯片中。如果我们回顾一下过去几十年的电子行业，就会发现它快速增长的证据。好处包括增加功能、改进小型化和提高总体性能。然而，这种要求放置更多的组件，同时越来越多地利用更少的空间转化为更低的误差范围．

记住这一点，就可以理解为什么在过去几年里，硅(CMOS)技术现在是具有成本效益和相对高性能的VLSI电路的领先制造工艺。

超大规模集成技术

非常大规模的集成是一个嵌入或集成成千上万的过程晶体管在单一的硅半导体微芯片上。VLSI技术的概念可以追溯到20世纪70年代末，当时高级处理器(计算机)微芯片也处于开发阶段。两种最常见的VLSI器件是微处理器和微控制器．

VLSI指的是集成电路技术一个芯片上有很多设备。当然，这个术语起源于20世纪70年代，以及基于每个IC的门或晶体管数量的各种其他规模集成分类。

电子工业的显著增长主要是由于大规模集成技术的进步。随着VLSI设计在美国，集成电路在控制应用、电信、高性能计算和消费电子整体上的可能性持续上升。

目前，由于VLSI技术，智能手机和蜂窝通信等技术提供了前所未有的可移植性、处理能力和应用访问。对这一趋势的预测表明，随着需求继续增加，这一趋势将迅速增长。

VLSI技术的优势

以下是VLSI技术的主要优势:

减小电路尺寸
提高设备的成本效益
提高了电路运行速度方面的性能
需要比分立组件更少的功率
设备可靠性更高
需要更少的空间，促进小型化

超大规模集成电路的设计过程

总体而言，VLSI集成电路设计包含两个主要阶段或部分:

1.前端设计:这包括使用硬件描述语言(例如Verilog、System Verilog和VHDL)进行数字设计。此外，这一阶段包括通过模拟和其他验证技术进行设计验证。整个过程还包括设计，从大门开始，一直到可测试性设计．

2.后端设计:包括特性描述和CMOS库设计。此外，它还涉及故障模拟和物理设计。

整个设计过程遵循循序渐进的方法，以下是前端设计步骤:

规范问题:这是一个系统的高级解释。我们解决的关键参数，如设计技术，功能，性能，制造技术和物理尺寸。最终的规格包括功率、功能、速度和尺寸超大规模集成电路系统．
架构定义:这包括基本规范，如浮点单元和使用哪个系统，如RISC或CISC和ALU的缓存大小。
功能设计:识别系统的重要功能单元，从而能够识别每个单元的物理和电气规格以及互连要求。

逻辑设计:该步骤涉及控制流、布尔表达式、字宽和寄存器分配。
电路设计:该步骤实现以网表形式的电路．由于这是一个软件步骤，它利用模拟来检查结果。
物理设计在这一步中，我们通过将网表转换为几何描绘来创建布局。此步骤还遵循一些预先设定的静态规则，例如lambda规则，这些规则提供了比率、组件之间的间距和大小的精确细节。

以下是硬件开发的后端设计步骤:

晶片处理:该步骤利用在1400ºc的锅中熔化的纯硅，然后将含有所需晶体取向的小种子注入液化硅中，并以每分钟1mm的速度逐渐抽出。我们将硅晶体制成圆柱形锭，并将其切割成圆盘或晶圆，然后进行抛光和晶体定向。
光刻技术:此工艺(光刻)包括用照相蚀刻和照相掩模的掩模。接下来，我们在晶圆上涂上一层光阻膜。然后，照片对准器将晶圆对准掩模。最后，我们将晶圆暴露在紫外线下，从而通过掩模突出轨迹。
蚀刻:在这里，我们选择性地从晶圆表面去除材料以产生图案。使用蚀刻掩模来保护材料的基本部分，我们使用额外的等离子体或化学物质来去除剩余的光刻胶。
离子注入:在这里，我们利用一种方法在半导体中实现所需的电特性，即添加掺杂剂的过程。该工艺使用一束高能掺杂离子来精确定位晶圆上的区域。波束的能级决定了晶圆穿透的深度。
金属化:在这一步中，我们在整个晶圆上涂上一层薄薄的铝。
装配与包装每个晶圆片包含数百个晶片。因此，我们使用金刚石锯将晶圆切割成单个芯片。之后，他们接受电气测试，我们丢弃故障。相比之下，那些通过检查的人会用显微镜进行彻底的视觉检查。最后，我们将通过目测的芯片进行包装，并对其进行重新检查。