A. Co to jest VLSI?
Aby wiedzieć o VLSI, musimy wiedzieć o układzie scalonym lub układzie scalonym. Układ scalony to układ scalony lub pakiet procesów, który zawiera tranzystory lub obwody cyfrowe w setkach tysięcy.
VLSI lub integracja na bardzo dużą skalę odnosi się do procesu włączania tranzystorów (zwłaszcza Tranzystory MOS) do sformułowania IC.
Urządzenia VLSI składają się z tysięcy bramek logicznych. Pomagają w tworzeniu dużych tablic pamięci. Tablice są używane w mikrokontroler i mikroprocesory. Możliwe jest włączenie 104 do 109 komponentów w jednym chipie w standardowej technice projektowania VLSI.
B. Historia i tło VLSI
Pierwszy tranzystor został wynaleziony w 1947 roku przez J. Bardena, W. Shockleya, W. Brattaina w Bell Laboratories. Wszyscy trzej naukowcy zostali wyróżnieni za wynalazek w 1956 roku. Rozmiar tranzystora zmniejszał się wraz z postępem czasu i technologii.
Jack Kilby i Robert Noyce wpadli na pomysł IC gdzie komponenty są połączone w jednym chipie. To pomogło inżynierowie, aby zwiększyć prędkość działania różnych obwodów.
Prawo Moora: W 1998 roku współzałożyciel Intel Corporation, Gordon Moor, przewidział trend w zakresie liczby komponentów w układzie scalonym.
Przepowiedział, że -
„Liczba tranzystorów wewnątrz mikroczipa podwaja się co dwa lata”.
Tendencja jest kontynuowana z pewnymi wyjątkami.
Postęp układów scalonych prowadzi do odkrycia integracji na bardzo dużą skalę lub technologii VLSI. Zanim wynaleziono VLSI, były inne technologie jako kroki. Omówiono je poniżej.
- Integracja SSI lub na małą skalę: Tego typu układy scalone zawierają mniej niż dziesięć bramek logicznych. Te bramki IC mają kilka bramek lub przerzutników powiązanych z jednym pakietem.
- Integracja MSI lub średniej skali: Pakiety te zawierają od dziesięciu do tysiąca bramek logicznych. Układy scalone MSI mogą generować podstawowe bramki logiczne. Bramki logiczne mogą być dalej wykorzystywane do tworzenia układów sekwencyjnych i kombinacyjnych takich jak – mux-demux, enkodery-dekodery, zatrzask, flip flop, rejestry itp.
- LSI lub integracja na dużą skalę: Jednostki LSI zawierają ponad sto bramek. Układy LSI tworzą bardziej złożone struktury obwodów, takie jak - kalkulatory, mini-komputery itp.
- Integracja VLSI lub bardzo duża skala: Zawiera tysiące bramek logicznych.
- Integracja ULSI lub Ultra Large Scale: Pojedynczy chip zawiera więcej niż 10 ^ 9 komponentów.
Poniżej przedstawiono przegląd transformacji.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się o projektach VHDL!
C. Projektowanie VLSI
Projekt VLSI składa się z kilku części. Potrzebuje właściwej i doskonałej fizycznej, strukturalnej i behawioralnej reprezentacji obwodu. W celu stworzenia dobrego systemu graficznego pomija się zbędne i powtarzające się informacje. Osiąga się to za pomocą graficznego opisu projektu i symbolicznej reprezentacji komponentów i połączeń.
Architektury VLSI wykorzystują n-kanałowe tranzystory polowe MOS i uzupełniające MOS. Uzupełniające MOS lub CMOS wymagają, aby zarówno n-kanałowe, jak i p-kanałowe tranzystory MOS były wytwarzane z tego samego podłoża.
W latach 1980. wzrosło zapotrzebowanie na zwiększenie gęstości pakietów, co wpłynęło na zużycie energii przez układy scalone NMOS. Zużycie energii stało się tak duże, że rozpraszanie mocy stanowiło poważny problem. Aby rozwiązać ten problem, jako rozwiązanie pojawiła się technologia CMOS.
CMOS zapewnia wysoką impedancję wejściową, wysoki margines szumów i działanie dwukierunkowe. Dlatego działa płynnie jako przełącznik.
Zaimplementuj VHDL za pomocą Xilinx… Zacznij tworzyć swój pierwszy projekt tutaj!
D. Tranzystory w konstrukcji VLSI
Półprzewodnik z tlenku metalu Tranzystor polowy lub MOSFET jest kluczowym elementem w układach VLSI o wysokiej gęstości.
Dlaczego FET jest używany w VLSI?
FET lub tranzystory polowe to prawdopodobnie najprostsze formy tranzystora. Tranzystory FET są szeroko stosowane zarówno w aplikacjach analogowych, jak i cyfrowych. Oddziela je duża wartość rezystancji wejściowej oraz mniejszy obszar i rozmiar, dzięki czemu można z nich tworzyć obwody o niskim poborze mocy. Dlatego są szeroko stosowane w integracji na bardzo dużą skalę.
Ze względu na ich efektywność energetyczną zastosowano CMOS i n-kanałowe MOS.
Charakterystyka tranzystorów NMOS
Na powyższym obrazie pokazano tranzystor polowy NMOS z reprezentacjami prądu drenu i napięcia na zaciskach. W przypadku tranzystora NMOS FET, zaciski źródła i drenu są symetryczne (dwukierunkowe).
Gdy terminal bramki nie jest obciążony, ścieżka odpływu do źródła działa jak otwarty przełącznik. Ponieważ cienka warstwa tlenku oddziela bramę od podłoża, daje wartość pojemności. Gdy zacisk bramki zgromadził wystarczającą ilość ładunków dodatnich, napięcie V.GS przekracza napięcie progowe V.TH. W ten sposób elektrony są przyciągane w obszarze pod bramą, tworząc ścieżkę przewodzącą między drenem a źródłem.
Napięcie bramki zwiększa przewodność kanału poprzez wejście w tryb wzmocnienia. VTH ~ = 0.2 V.DD daje VTH.
Większość nośników tego typu FET to otwory. Gdy dodatnia bramka do źródła napięcia lub V.GS jest mniejsze niż VTH, większość nośnika lub otworów jest odpychana do podłoża. Teraz na powierzchni typu p nie ma nośnika. Brak prądu z powodu regionu zubożenia.
Teraz, gdy bramka prowadząca do źródła napięcia osiągnie wartość wyższą niż napięcie progowe, do powierzchni zostanie przyciągnięta zdrowa ilość nośników mniejszościowych (w naszym przypadku jest to elektron). W ten sposób kanał jest utworzony z warstwy inwersyjnej między źródłem a końcówką spustową.
Poniższe wyrażenie podaje ID prądu spustu.
ID = Ładunek indukowany w kanale (Q) / czas przejścia (τ)
Czas tranzytu ładunku τ to czas potrzebny przewoźnikowi ładunku na przekroczenie kanału od terminalu źródłowego do terminalu spustowego. Dla małej wartości VDS,
τ = odpływ do źródła (L) / prędkość dryfu elektronów (vd) = L / μ E = L2 /VDS μ
E jest polem elektrycznym i podane jako, mi = VDs / l.
μ to ruchliwość elektronów. Powiedzieliśmy wcześniej, że generowana jest wartość pojemności. Pojemność jest podana jako C = εA / D = εWL / D
W to szerokość, a D to grubość warstwy dwutlenku węgla. ε reprezentuje przenikalność warstwy tlenkowej. W przypadku dwutlenku krzemu stosunek ε / ε0 przychodzi jako 4. Opłata w tranzycie wynosi -
Q = C (VGS - VTH - VDS/ 2) = (εWL / D) * (VGS - VTH - VDS/ 2)
Prąd drenu jest podany jako - ID = Q / τ = (μεW / LD) * (VGS - VTH - VDS/ 2) V.DS
Rezystancja wyniesie R = VDS / ID = LD / [μεW * (VGS - VTH - VDS/ 2)]
Charakterystykę wyjściową tranzystora NMOS przedstawiono na poniższym wykresie.
W obszarze nasycenia prąd drenu jest uzyskiwany jako -
ID = (μεW / 2LD) (VGS - VTH)2
Tranzystory NMOS można również wytwarzać z wartościami napięcia progowego VTH <= 0. Tranzystory nazywane są urządzeniami w trybie zubożenia.
E. Zasady projektowania VLSI
Projektowanie VLSI ma kilka podstawowych zasad. Zasady to w szczególności pewne specyfikacje geometryczne upraszczające projektowanie maski układu. Zasady zawierają szczegółowe informacje dotyczące minimalnych wymiarów, układów linii i innych miar geometrycznych, które można uzyskać na podstawie pewnych granic wiedzy specjalistycznej w zakresie zwolnień.
Te zasady pomagają projektantowi zaprojektować obwód w możliwie najmniejszym obszarze, bez uszczerbku dla wydajności i niezawodności.
Istnieją dwa zestawy zasad projektowania.
- Reguła mikrona - Reguła rozwija się wokół ograniczeń implementacyjnych, takich jak - minimalny rozmiar elementu, najmniejsze dopuszczalne separacje cech. Podawane są z uwzględnieniem zakresów mikrometrowych.
- Zasady projektowania w oparciu o Lambda: ograniczenia dotyczące odległości w układzie są wyrażone jako podstawowa jednostka długości lambda. Reguły zostały opracowane w celu uproszczenia standardowych reguł dotyczących mikronów. Pozwala to na skalowanie możliwości dla różnych procesów. Jednostka długości lambda to odległość, na jaką geometria jednej warstwy może zachodzić na inną warstwę i jest określana przez ograniczenia technologii procesu.
Jeśli jednostką długości jest lambda, wówczas wszystkie szerokości, rozstawy i odległości są wyrażone jako m * lambda. M to współczynnik skalujący. Obszar rozproszony ma współczynnik skalowania co najmniej 2 lambd. Zgodnie z zasadą bezpiecznego kciuka, obszary rozproszone, które nie są połączone, mają separację 3 lambd. Linie metalowe mają minimalną szerokość i separację 3 lambd w standardowym projekcie VLSI.
F. Skalowanie w projektowaniu VLSI
Postęp technologiczny pozwala na zmniejszenie rozmiarów urządzeń. Ten proces zmniejszania rozmiaru jest nazywany skalowaniem. Główne zalety skalowania projektu VLSI polegają na tym, że gdy wymiary zintegrowanego systemu są skalowane do mniejszego rozmiaru, ogólna wydajność obwodu ulega poprawie. Inne cele skalowania to - większa gęstość opakowań, większa szybkość wykonywania, zmniejszony koszt urządzenia.
Niektóre z najczęściej używanych modeli skalowania to -
- Stałe skalowanie pola elektrycznego
- Skalowanie stałego napięcia.
W przypadku stałego pola elektrycznego efekty nieliniowe są eliminowane, ponieważ pole elektryczne obwodu pozostaje takie samo. Aby zrozumieć skalowanie w projekcie VLSI, bierzemy dwa parametry jako α i β. Dla stałego pola elektrycznego β = α, a dla skalowania napięcia β = 1.
Więcej artykułów związanych z elektroniką kliknij tutaj
Cześć, jestem Sudipta Roy. Zrobiłem B. Tech w elektronice. Jestem entuzjastą elektroniki i obecnie zajmuję się dziedziną elektroniki i komunikacji. Interesuję się nowoczesnymi technologiami, takimi jak sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe. Moje teksty skupiają się na dostarczaniu dokładnych i aktualnych danych wszystkim uczniom. Pomaganie komuś w zdobywaniu wiedzy sprawia mi ogromną przyjemność.
Połączmy się poprzez LinkedIn –