VLSI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。

●更深入地了解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IC设计师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和其他外设。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，就会发现其快速发展的证据。其好处包括增加了功能、改进了小型化和提高了整体性能。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小的误差范围。

记住这一点，就可以理解为什么在过去几年中，硅(CMOS)技术现在是经济高效且相对高性能的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数十万个的过程晶体管在单个硅半导体微芯片上。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)微芯片也处于发展阶段。两种最常见的VLSI器件是微处理器和微控制器。

VLSI是指集成电路集成电路技术在一个芯片上有许多设备。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…的到来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产品中的应用可能性不断增加。

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、处理能力和应用程序访问。对这一趋势的预测表明，随着需求的继续增加，这一趋势将迅速增加。

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
比分立元件需要更少的功率
更高的设备可靠性
需要更少的空间和促进小型化

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的数字设计，例如Verilog, System Verilog和VHDL。此外，该阶段包括通过仿真和其他验证技术进行设计验证。整个过程还包括设计，从门开始，一直持续到可测试性设计。

2.后端设计这包括表征和CMOS库设计。此外，它还涉及故障仿真和物理设计。

整个设计过程遵循一步一步的方法，以下是前端设计步骤:

规范问题:这是对系统的高级解释。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。最终规格包括功率、功能、速度和尺寸VLSI系统。
架构定义这包括基本规范，如浮点单位和使用哪个系统，如RISC或CISC和ALU的缓存大小。
功能设计这识别了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。

逻辑设计这一步涉及控制流、布尔表达式、字宽和寄存器分配。
电路设计:此步骤执行的实现网表形式的电路。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述来创建布局。此步骤还遵循一些预先设想的静态规则，例如lambda规则，它提供了比例、组件之间的间距和大小的精确细节。

硬件开发的后端设计步骤如下:

晶片处理该步骤使用在1400℃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的速度逐渐拔出。我们将硅晶体制成圆柱形锭，在抛光和晶体定向之前将其切割成圆盘或晶圆。
光刻技术这个过程(光刻)包括用光刻的掩模和照相掩模。接下来，我们在晶圆片上应用光刻胶薄膜。然后用照相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道。
蚀刻在这里，我们有选择地从晶圆片表面去除材料以产生图案。通过蚀刻掩膜来保护材料的重要部分，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气特性，即添加掺杂剂的过程。该工艺使用一束高能掺杂离子来瞄准晶圆片的精确区域。光束的能级决定了晶圆的穿透深度。
金属化在这一步中，我们在整个晶圆片上涂上一层薄铝。
装配与包装每个晶圆片都包含数百个芯片。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，我们丢弃失败。相比之下，那些通过的则接受显微镜的彻底目视检查。最后对目测合格的芯片进行包装和复验。