超大規(guī)模集成電路概述

超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integration Circuit，VLSI)是一種將大量晶體管組合到單一芯片的集成電路，其集成度大于大規(guī)模集成電路。集成的晶體管數(shù)在不同的標(biāo)準(zhǔn)中有所不同。從1970年代開始，隨著復(fù)雜的半導(dǎo)體以及通信技術(shù)的發(fā)展，集成電路的研究、發(fā)展也逐步展開。計(jì)算機(jī)里的控制核心微處理器就是超大規(guī)模集成電路的最典型實(shí)例，超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)(VLSI design)，尤其是數(shù)字集成電路，通常采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的方式進(jìn)行，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)工程的重要分支之一。

在1920年代，一些發(fā)明家試圖掌握控制固態(tài)二極管中電流的方法，他們的構(gòu)想在后來(lái)的雙極性晶體管中得以實(shí)現(xiàn)。然而，他們的設(shè)想直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后才得以實(shí)現(xiàn)。在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，人們把精力集中在制造雷達(dá)這樣的軍工產(chǎn)品，因此電子工業(yè)的發(fā)展并不如之后那樣迅猛，不過(guò)人們對(duì)于半導(dǎo)體物理學(xué)的了解逐漸增加，制造工藝水平也逐漸提升。戰(zhàn)后，許多科學(xué)家重新開始從事固態(tài)電子器件的研究。1947年，著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室成功地研制了晶體管。自此，電子學(xué)的研究方向從真空管轉(zhuǎn)向到了固態(tài)電子器件。晶體管在當(dāng)時(shí)看來(lái)具有小型、高效的特點(diǎn)。1950年代，一些電子工程師希望以晶體管為基礎(chǔ)，研制比以前更高級(jí)、復(fù)雜的電路充滿了期待。然而，隨著電路復(fù)雜程度的提升，技術(shù)問(wèn)題對(duì)器件性能的影響逐漸引起了人們的注意。像計(jì)算機(jī)主板這樣復(fù)雜的電路，往往對(duì)于響應(yīng)速度有較高的要求。如果計(jì)算機(jī)的元件過(guò)于龐大，或者不同元件之間的導(dǎo)線太長(zhǎng)，電信號(hào)就不能夠在電路中以足夠快的速度傳播，這樣會(huì)造成計(jì)算機(jī)工作緩慢，效率低下，甚至引起邏輯錯(cuò)誤。1958年，德州儀器的杰克·基爾比找到了上述問(wèn)題的解決方案。他提出，可以把電路中的所有元件和芯片用同一半導(dǎo)體材料塊制成。當(dāng)時(shí)他的同事們正在度假，他們結(jié)束度假后，基爾比立即展示了他的新設(shè)計(jì)。隨后，他研制了一個(gè)這種新型電路的測(cè)試版本。1958年9月，第一個(gè)集成電路研制成功。盡管這個(gè)集成電路看來(lái)還非常粗糙，而且存在一些問(wèn)題，但集成電路在電子學(xué)史上確實(shí)是個(gè)創(chuàng)新的概念。通過(guò)在同一材料塊上集成所有元件，并通過(guò)上方的金屬化層連接各個(gè)部分，就不再需要分立的獨(dú)立元件了，這樣，就避免了手工組裝元件、導(dǎo)線的步驟。此外，電路的特征尺寸大大降低。隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的逐步發(fā)展，制造工藝中的許多流程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。自此，把所有元件集成到單一硅片上的想法得以實(shí)現(xiàn)，小規(guī)模集成電路(Small Scale Integration, SSI)時(shí)代始于1960年代早期，后來(lái)歷經(jīng)中規(guī)模集成電路(Medium Scale Integration, MSI，1960年晚期)、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路(1980年早期)。超大規(guī)模集成電路的晶體管數(shù)量可以達(dá)到10,000個(gè)。

截至2012年晚期，數(shù)十億級(jí)別的晶體管處理器已經(jīng)得到商用。隨著半導(dǎo)體制造工藝從32納米水平躍升到下一步22納米，這種集成電路會(huì)更加普遍，盡管會(huì)遇到諸如工藝角偏差之類的挑戰(zhàn)。值得注意的例子是英偉達(dá)的GeForce 700系列的首款顯示核心，代號(hào)‘GK110’的圖形處理器，采用了全部71億個(gè)晶體管來(lái)處理數(shù)字邏輯。而Itanium的大多數(shù)晶體管是用來(lái)構(gòu)成其3千兩百萬(wàn)字節(jié)的三級(jí)緩存。Intel Core i7處理器的芯片集成度達(dá)到了14億個(gè)晶體管。所采用的設(shè)計(jì)與早期不同的是它廣泛應(yīng)用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，設(shè)計(jì)人員可以把大部分精力放在電路邏輯功能的硬件描述語(yǔ)言表達(dá)形式，而功能驗(yàn)證、邏輯仿真、邏輯綜合、布局、布線、版圖等可以由計(jì)算機(jī)輔助完成。

“超大規(guī)?！?，是好多年以前的說(shuō)法了。最先進(jìn)的制造工藝，已經(jīng)到了7納米的數(shù)量級(jí)，實(shí)際量產(chǎn)的工藝，也大都在14、22納米。按銷售額排序，排在前三位的公司是：Intel(美國(guó))、三星(韓國(guó))、臺(tái)積電(臺(tái)灣)。其他公司大都是歐美、日本和臺(tái)灣公司。中國(guó)大陸只有中芯國(guó)際還能跟上技術(shù)發(fā)展潮流。