VLSI: التعريف والتصميم والقواعد المهمة والقياس


أ. ما هو VLSI؟

للتعرف على VLSI ، علينا أن نعرف عن IC أو الدائرة المتكاملة. إن IC عبارة عن شريحة أو حزمة عمليات تحتوي على ترانزستورات أو دوائر رقمية بأعداد كبيرة.

يشير VLSI أو التكامل واسع النطاق جدًا إلى عملية دمج الترانزستورات (خاصة الترانزستورات موس) لصياغة IC.

تتكون أجهزة VLSI من آلاف البوابات المنطقية. إنها تساعد على إنشاء مصفوفات ذاكرة كبيرة. تستخدم المصفوفات في متحكم والمعالجات الدقيقة. من الممكن دمج 104 إلى 109 مكونات في شريحة واحدة بتقنية تصميم VLSI القياسية.

تاريخ وخلفية VLSI

اخترع أول ترانزستور في عام 1947 بواسطة J. Barden و W. Shockley و W. Brattain في مختبرات بيل. حصل العلماء الثلاثة على النبلاء للاختراع في عام 1956. تقلص حجم الترانزستور مع التقدم في الوقت والتكنولوجيا.

جاء جاك كيلبي وروبرت نويس بفكرة IC حيث يتم توصيل المكونات داخل شريحة واحدة. هذا ساعد المهندسين لزيادة السرعة لتشغيل الدوائر المختلفة.

قانون مور: في عام 1998 ، توقع المؤسس المشارك لشركة إنتل جوردون مور اتجاهًا بشأن عدد المكونات في الدائرة المتكاملة.

توقع أن -

"عدد الترانزستور داخل الرقاقة الدقيقة يتضاعف كل عامين".

الاتجاه يتبع مع بعض الاستثناءات.

رسم بياني يوضح كيف اتبع العالم قانون مور ، صورة الائتمان - ماكس روزر ، هانا ريتشي ، عدد الترانزستور في قانون مور 1970-2020CC BY 4.0

يؤدي تقدم الدوائر المتكاملة إلى اكتشاف تكامل واسع النطاق جدًا أو تقنية VLSI. قبل اختراع VLSI ، كانت هناك تقنيات أخرى كخطوات. تمت مناقشتها أدناه.

  • مباحث أمن الدولة أو التكامل على نطاق صغير: يحتوي هذا النوع من الدوائر المتكاملة على أقل من عشرة بوابات منطقية. تحتوي بوابات IC هذه على عدة بوابات أو شبشب مرتبط بحزمة واحدة.
  • MSI أو تكامل متوسط ​​الحجم: تحتوي هذه الحزم على عشرة إلى آلاف بوابة منطقية. يمكن لـ MSI ICs إنشاء بوابات منطقية أساسية. يمكن استخدام البوابات المنطقية أيضًا لصنع دوائر متسلسلة وتوافقية مثل - mux-demux و encoders-decoders و latch و الوجه بالتخبط، والسجلات ، وما إلى ذلك.
  • LSI أو التكامل على نطاق واسع: تحتوي وحدات LSI على أكثر من مائة بوابة. تقوم LSI ICs بإنشاء هياكل دوائر أكثر تعقيدًا مثل - الآلات الحاسبة وأجهزة الكمبيوتر الصغيرة وما إلى ذلك.
  • VLSI أو تكامل واسع النطاق: يحتوي على آلاف البوابات المنطقية.
  • ULSI أو التكامل واسع النطاق: تحتوي الرقاقة الواحدة على أكثر من 10 ^ 9 مكونات.

يتم إعطاء نظرة عامة على التحول أدناه.

نطاق مختلف لتصميم تكامل النطاق (في تصميم VLSI القياسي> يتم استخدام 10000 بوابة لكل IC)

انقر هنا للتعرف على تصاميم VHDL!

جيم تصميم VLSI

يتكون تصميم VLSI من عدة أجزاء. إنه يحتاج إلى تمثيل مادي وبنيوي وسلوكي صحيح ومثالي للدائرة. يتم حذف المعلومات الزائدة والمتكررة لإنشاء نظام عمل فني جيد. يتم تحقيق ذلك باستخدام وصف التصميم الرسومي والتمثيل الرمزي للمكونات والترابط.

تستخدم معماريات VLSI ترانزستورات التأثير الميداني n-channel MOS و MOS التكميلية. تحتاج MOS أو CMOS التكميليان إلى تصنيع كل من MOS FETs ذات القناة n والقناة p في نفس الركيزة.

في الثمانينيات ، نما الطلب على زيادة كثافة الحزمة ، وأثر ذلك على استهلاك الطاقة في NMOS ICs. أصبح استهلاك الطاقة مرتفعاً لدرجة أن تبديدها شكل مشكلة خطيرة. لحل المشكلة ، ظهرت تقنية CMOS كحل.

CMOS يوفر مقاومة عالية للمدخلات وهامش ضوضاء مرتفع وتشغيل ثنائي الاتجاه. هذا هو السبب في أنها تعمل بسلاسة كمفتاح.

قم بتنفيذ VHDL باستخدام Xilinx ... ابدأ في إنشاء مشروعك الأول هنا!

D. الترانزستورات في تصميم VLSI

أكسيد المعادن أشباه الموصلات حقل التأثير الترانزستور أو MOSFET هو المكون الرئيسي في رقائق VLSI عالية الكثافة.

لماذا يتم استخدام FET في VLSI؟

من المحتمل أن تكون ترانزستورات FET أو تأثير المجال هي أبسط أشكال الترانزستور. تستخدم FETs على نطاق واسع في كل من التطبيقات التناظرية والرقمية. يتم فصلها بقيمة كبيرة لمقاومة المدخلات ومساحة وحجم أصغر ، ويمكن استخدامها لتشكيل دوائر باستهلاك منخفض للطاقة. هذا هو السبب في أنها تستخدم على نطاق واسع في التكامل على نطاق واسع للغاية.

يتم استخدام CMOS و n-channel MOS لكفاءة طاقتهما.

خصائص الترانزستورات NMOS

تمثيل رمزي لـ NMOS FET ، مصدر الصورة - مجهول ، IGFET N-Ch Enh المسمى، تم تمييزه كملك عام ، مزيد من التفاصيل حول ويكيميديا ​​كومنز

يظهر ترانزستور تأثير المجال NMOS في الصورة أعلاه مع تمثيلات تيار التصريف والجهد الطرفي. بالنسبة إلى NMOS FET ، تكون محطات المصدر والصرف متماثلة (ثنائية الاتجاه).

عندما لا توجد شحنة على بوابة البوابة ، فإن مسار الصرف إلى المصدر يعمل كمفتاح مفتوح. نظرًا لأن طبقة أكسيد رفيعة تفصل البوابة عن الركيزة ، فإنها تعطي قيمة سعة. عندما تتراكم محطة البوابة لشحنات موجبة كافية ، فإن الجهد VGS يتجاوز عتبة الجهد الخامسTH. وهكذا ، تنجذب الإلكترونات في المنطقة الواقعة تحت البوابة لإعطاء مسار موصل بين الصرف والمصدر.

يعزز جهد البوابة توصيل القناة من خلال الدخول في عملية وضع التعزيز. الخامسTH ~ = 0.2 فولتDD يعطي VTH.

الحامل الأكبر لهذا النوع من FET هو الثقوب. عندما تكون البوابة الموجبة لمصدر الجهد أو V.GS أصغر من V.TH، يتم صد الغالبية أو الثقوب في الركيزة. الآن ، لا يوجد ناقل على سطح النوع p. لا يوجد تيار بسبب منطقة النضوب.

الآن ، عندما تصبح البوابة إلى جهد المصدر أعلى من جهد العتبة ، تنجذب كمية صحية من ناقلات الأقلية إلى السطح (وهو في حالتنا الإلكترون). وبالتالي ، تتكون القناة من طبقة عكسية بين المصدر ومحطة الصرف. 

يعطي التعبير أدناه معرف التصريف الحالي.

ID = الشحنة المستحثة في القناة (Q) / وقت العبور (τ)

وقت عبور الشحن τ هو الوقت الذي يستغرقه حامل الشحنة لعبور القناة من محطة المصدر إلى محطة الصرف. لقيمة صغيرة لـ V.DS,

τ = التصريف إلى مسافة المصدر (L) / سرعة انجراف الإلكترون (vd) = L / μ E = L.2 / الخامسDS μ

E هو المجال الكهربائي ويُعطى كـ ، ه = الخامسDs / ل.

μ هي حركة الإلكترون. قلنا سابقًا أن هناك قيمة مواسعة تولد. يتم إعطاء السعة كـ C = εA / D = εWL / D

W هو العرض ، بينما D هو سمك طبقة ثنائي أكسيد. ε يمثل سماحية طبقة الأكسيد. بالنسبة لثاني أكسيد السيليكون ، فإن النسبة ε /0 تأتي في صورة 4. تكلفة النقل هي -

س = ج (الخامسGS - فTH - فDS/ 2) = (εWL / D) * (V.GS - فTH - فDS/ 2)

يتم إعطاء تيار التصريف كـ - ID = Q / τ = (μεW / LD) * (V.GS - فTH - فDS/ 2) الخامسDS

ستكون المقاومة R = VDS / ID = LD / [μεW * (V.GS - فTH - فDS/ 2)]

يظهر الرسم البياني أدناه خصائص خرج ترانزستور NMOS.

تصميم vLSI
خصائص إخراج ترانزستور NMOS

في منطقة التشبع ، يتم الحصول على تيار التصريف على النحو التالي -

المعرف = (μεW / 2LD) (VGS - فTH)2

يمكن أيضًا تصنيع ترانزستورات NMOS بقيم جهد العتبة VTH <= 0. ويشار إلى الترانزستورات على أنها أجهزة وضع النضوب.

E. قواعد تصميم VLSI

تصميم VLSI له بعض القواعد الأساسية. القواعد هي على وجه التحديد بعض المواصفات الهندسية التي تبسط تصميم قناع التخطيط. توفر القواعد تفاصيل عن الحد الأدنى للأبعاد وتخطيطات الخطوط والمقاييس الهندسية الأخرى التي تم الحصول عليها من حدود خبرة توزيع معينة.

تساعد هذه القواعد المصمم على تصميم دائرة في أصغر منطقة ممكنة دون المساومة على الأداء والموثوقية.

هناك مجموعتان من قواعد التصميم.

  • حكم ميكرون - تتطور القاعدة حول قيود التنفيذ مثل - الحد الأدنى لحجم الميزة ، أصغر عمليات فصل الميزات المسموح بها. يتم اقتباسها فيما يتعلق بنطاقات العدادات الدقيقة.
  • قواعد التصميم على أساس Lambda: يتم التعبير عن القيود المفروضة على المسافة في المخطط من حيث وحدة الطول الأساسية لامدا. تم تطوير القواعد لتبسيط قواعد الميكرون المتوافقة مع معايير الصناعة. هذا يسمح بتوسيع القدرة على العمليات المختلفة. وحدة الطول لامدا هي المسافة التي يمكن من خلالها أن تتداخل السمة الهندسية للطبقة مع تلك الخاصة بطبقة أخرى ، ويتم تحديدها من خلال قيود تقنية العملية.

إذا كانت وحدة الطول هي lambda ، فسيتم التعبير عن جميع العروض والمسافات والمسافات على أنها m * lambda. م هو عامل التحجيم. المنطقة المنتشرة لها عامل تحجيم لا يقل عن 2 لامبدا. وفقًا لقاعدة الإبهام الآمن ، فإن المناطق المنتشرة ، غير الموصولة ، لها فصل 3 لامبدا. يبلغ الحد الأدنى للعرض والخطوط الفاصلة بين الخطوط المعدنية 3 لامبدا في تصميم VLSI القياسي.

و. التحجيم في تصميم VLSI

يتيح لنا التقدم التكنولوجي تقليل حجم الأجهزة. تُعرف عملية تصغير الحجم هذه باسم التحجيم. تتمثل المزايا الرئيسية لمقياس تصميم VLSI في أنه عندما يتم تحجيم أبعاد نظام متكامل إلى حجم أصغر ، يتم تحسين الأداء العام للدائرة. الأهداف الأخرى للقياس هي - كثافة حزمة أكبر ، وسرعة تنفيذ أكبر ، وتكلفة أقل للجهاز.

بعض نماذج القياس الأكثر استخدامًا هي -

  1. تحجيم المجال الكهربائي المستمر
  2. تحجيم الجهد الثابت.

بالنسبة للحقل الكهربائي الثابت ، يتم التخلص من التأثيرات غير الخطية حيث يظل المجال الكهربائي للدائرة كما هو. لفهم القياس في تصميم VLSI ، نأخذ معلمتين مثل α و β. بالنسبة للمجال الكهربائي الثابت ، β = α ولقياس الجهد ، β = 1.

لمزيد من المقالات المتعلقة بالإلكترونيات اضغط هنا

سوديبتا روي

أنا متحمس للإلكترونيات ومكرس حاليًا في مجال الإلكترونيات والاتصالات. لدي اهتمام كبير باستكشاف التقنيات الحديثة مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي. كتاباتي مكرسة لتوفير بيانات دقيقة ومحدثة لجميع المتعلمين. مساعدة شخص ما في اكتساب المعرفة تمنحني متعة كبيرة. دعنا نتواصل من خلال LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

آخر المقالات