超大规模集成电路的电子元件数目一般达到多少

1970-01-01 08:00

超大规模集成电路(英语:very-large-scale integration,缩写: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。

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(VLSI design),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。

根据集成电路中所包含的门电路(数字集成电路)或元器件数量(模拟集成电路),可将集成电路分为:

1、小规模集成(SSI)电路:门电路在 10 个以内或元器件数不超过 100 个;

2、中规模集成(MSI)电路:包含的门电路在 10~100 个之间或元器件数在 100~1000 个之间;

3、大规模集成(LSI)电路:包含的门电路在 100 个以上或元器件数在 1000~1 万个之间;

4、超大规模集成(VLSI)电路:包含的门电路在 1 万个以上或元器件数在 10 万~100 万个之间;

5、特大规模集成(ULSI)电路:门电路在 10 万个以上,或元器件数在 100 万~1000 万个之间。


超大规模集成电路的挑战


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。

功耗、散热:随着组件集成规模的提升,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(dynamic voltage and frequency scaling (DVFS)),来降低耗散总功率。

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。

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。定制设计的总开销现在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。

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)。

成本:随着晶粒尺寸的缩小,晶圆尺寸变大,单位晶圆面积上的晶粒数增加,这样制造工艺所用到的光掩模的复杂程度就急剧上升[6]。现代高精度的光掩模技术十分昂贵。


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