Qu'est-ce que VLSI? | Conception VLSI | Ce sont des règles et une mise à l'échelle importantes

SUJETS DE DISCUSSION: Conception VLSI

A. Qu'est-ce que VLSI?

B. Histoire et contexte de VLSI

C. Conception VLSI

D. FET dans la conception VLSI

E. Règles de conception VLSI

F. Mise à l'échelle dans la conception VLSI

A. Qu'est-ce que VLSI?

Pour connaître VLSI, nous devons connaître IC ou circuit intégré. Un circuit intégré est une puce ou un ensemble de processus qui contient des transistors ou des circuits numériques en lakhs de nombre.

VLSI ou intégration à très grande échelle fait référence au processus d'incorporation de transistors (en particulier des transistors MOS) pour formuler des circuits intégrés.

Les périphériques VLSI se composent de milliers de portes logiques. Ils aident à créer de grandes baies de mémoire. Les baies sont utilisées dans les microcontrôleurs et les microprocesseurs. Il est possible d'incorporer 104 - 109 composants dans une seule puce dans la technique de conception VLSI standard.

B. Histoire et antécédents de VLSI

Le tout premier transistor a été inventé en 1947 par J. Barden, W. Shockley, W. Brattain dans les laboratoires Bell. Les trois scientifiques sont devenus nobles pour l'invention en 1956. La taille du transistor a été réduite avec les progrès du temps et de la technologie.

Jack Kilby et Robert Noyce ont eu l'idée d'IC où les composants sont connectés dans une seule puce. Cela a aidé les ingénieurs à augmenter la vitesse de fonctionnement de divers circuits.

Loi de Maure: En 1998, le co-fondateur d'Intel Corporation, Gordon Moor, a prédit une tendance sur le nombre de composants dans un circuit intégré.

Il a prédit que -

«Le nombre de transistors à l'intérieur d'une puce est doublé tous les deux ans».

La tendance est suivie à quelques exceptions près.

Graphique montrant comment le monde a suivi la loi de Moor, crédit d'image - Max Roser, Hannah Ritchie, Nombre de transistors de la loi de Moore 1970-2020CC BY 4.0

Le progrès des circuits intégrés conduit à la découverte d'une intégration à très grande échelle ou technologie VLSI. Avant que le VLSI ne soit inventé, il y avait d'autres technologies comme étapes. Ils sont discutés ci-dessous.

  • Intégration SSI ou à petite échelle: Ce type de circuits intégrés contient moins de dix portes logiques. Ces portes IC ont plusieurs portes ou bascules associées à un même paquet.
  • Intégration MSI ou moyenne échelle: Ces packages contiennent dix à mille portes logiques. Les CI MSI peuvent générer des portes logiques de base. Les portes logiques peuvent en outre être utilisées pour créer des circuits séquentiels et combinatoires tels que - mux-démux, codeurs-décodeurs, verrou, bascule, registres, etc.
  • Intégration LSI ou à grande échelle: Les unités LSI contiennent plus d'une centaine de portes. Les circuits intégrés LSI créent des structures de circuits plus complexes telles que des calculatrices, des mini-ordinateurs, etc.
  • Intégration VLSI ou à très grande échelle: Contient des milliers de portes logiques.
  • Intégration ULSI ou à très grande échelle: Une seule puce contient plus de 10 ^ 9 composants.

Un aperçu de la transformation est donné ci-dessous.

Gamme différente pour la conception d'intégration d'échelle (dans la conception VLSI standard> 10000 portes par IC sont utilisées)

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C. Conception VLSI

Une conception VLSI comprend plusieurs parties. Il a besoin d'une représentation physique, structurelle et comportementale juste et parfaite du circuit. Les informations redondantes et répétitives sont omises pour créer un bon système d'illustration. Il est réalisé en utilisant une description graphique de conception et une représentation symbolique des composants et des interconnexions.

Les architectures VLSI utilisent des transistors à effet de champ MOS à canal n et des MOS complémentaires. Les MOS ou CMOS complémentaires nécessitent que les FET MOS à canal n et à canal p soient fabriqués dans le même substrat.

Dans les années 1980, la demande d'augmentation de la densité des emballages a augmenté et a affecté la consommation d'énergie des circuits intégrés NMOS. La consommation d'énergie est devenue si élevée que la dissipation de la puissance a posé un problème sérieux. Pour résoudre le problème, la technologie CMOS est apparue comme une solution.

CMOS fournit une impédance d'entrée élevée, une marge de bruit élevée et un fonctionnement bidirectionnel. C'est pourquoi il fonctionne sans problème comme un interrupteur.

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D. Transistors dans la conception VLSI

Le transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique ou MOSFET est le composant clé des puces VLSI haute densité.

Pourquoi FET est-il utilisé dans VLSI?

Les transistors FET ou à effet de champ sont probablement les formes les plus simples du transistor. Les FET sont largement utilisés dans les applications analogiques et numériques. Ils sont séparés par une grande valeur de résistance d'entrée et une zone et une taille plus petites, et ils peuvent être utilisés pour former des circuits à faible consommation d'énergie. C'est pourquoi ils sont largement utilisés dans l'intégration à très grande échelle.

Le CMOS et le MOS à canal n sont utilisés pour leur efficacité énergétique.

Caractéristiques des transistors NMOS

Représentation symbolique de NMOS FET, Source de l'image - anonyme, IGFET N-Ch Enh étiqueté, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons

Un transistor à effet de champ NMOS est montré dans l'image ci-dessus avec les représentations du courant de drain et de la tension aux bornes. Pour un NMOS FET, les bornes de source et de drain sont symétriques (bidirectionnelles).

Lorsqu'il n'y a pas de charge sur la borne de grille, le trajet drain-source agit comme un interrupteur ouvert. Lorsqu'une fine couche d'oxyde sépare la grille du substrat, elle donne une valeur de capacité. Lorsque la borne de grille a accumulé suffisamment de charges positives, la tension VGS dépasse une tension seuil VTH. Ainsi, les électrons sont attirés dans la région sous la grille pour donner un chemin conducteur entre le drain et la source.

La tension de grille améliore la conductivité du canal en entrant dans le fonctionnement du mode d'amélioration. VTH ~ = 0.2 VDD donne le VTH.

Le transporteur majoritaire pour ce type de FET est les trous. Lorsque la grille positive à la tension de source ou VGS est plus petit que VTH, le support ou les trous majoritaires sont repoussés dans le substrat. Maintenant, à la surface du type p, il n'y a pas de porteur. Il n'y a pas de courant en raison de la région d'épuisement.

Maintenant, lorsque la tension grille à source devient supérieure à la tension de seuil, une quantité saine de porteurs minoritaires est attirée vers la surface (qui dans notre cas est l'électron). Ainsi, un canal est formé d'une couche d'inversion entre la borne de source et de drain. 

L'expression ci-dessous donne l'ID du courant de drain.

ID = Charge induite dans le canal (Q) / temps de transit (τ)

Le temps de transit de charge τ est le temps mis par un porteur de charge pour traverser le canal du terminal source au terminal drain. Pour une petite valeur de VDS,

τ = distance drain-source (L) / vitesse de dérive électronique (vd) = L / E = L2 / VDS μ

E est le champ électrique et donné comme, E = VDs / L.

μ est la mobilité électronique. Nous avons dit précédemment qu'il existe une valeur de capacité qui génère. La capacité est donnée par C = εA / D = εWL / D

W est la largeur, tandis que D est l'épaisseur de la couche de dioxyde. ε représente la permittivité de la couche d'oxyde. Pour le dioxyde de silicone, le rapport de ε / ε0 vient comme 4. La charge en transit est -

Q = C (VGS - VTH - VDS/ 2) = (εWL / D) * (VGS - VTH - VDS/ 2)

Le courant de drain est donné par - ID = Q / τ = (μεW / LD) * (VGS - VTH - VDS/ 2) VDS

La résistance sera R = VDS / ID = LD / [μεW * (VGS - VTH - VDS/ 2)]

Les caractéristiques de sortie d'un transistor NMOS sont indiquées dans le graphique ci-dessous.

Conception vLSI
Caractéristiques de sortie d'un transistor NMOS

Dans la région de saturation, le courant de drain est obtenu comme -

ID = (μεW / 2LD) (VGS - VTH)2

Les transistors NMOS peuvent également être fabriqués avec les valeurs de la tension de seuil VTH <= 0. Les transistors sont appelés dispositifs à mode d'appauvrissement.

E. Règles de conception VLSI

La conception VLSI a quelques règles de base. Les règles sont spécifiquement des spécifications géométriques simplifiant la conception du masque de mise en page. Les règles fournissent des détails sur les dimensions minimales, les tracés de lignes et autres mesures géométriques qui sont obtenus à partir des limites de certaines compétences de dispense.

Ces règles aident le concepteur à concevoir un circuit dans la plus petite zone possible sans compromettre les performances et la fiabilité.

Il existe deux ensembles de règles de conception.

  • Règle de Micron - La règle évolue autour de contraintes d'implémentation telles que: la taille minimale des entités, les plus petites séparations d'entités autorisées. Ils sont cités par rapport aux gammes de micromètres.
  • Règles de conception basées sur Lambda: les contraintes sur la distance dans le tracé sont exprimées en termes d'unité de longueur primaire lambda. Les règles ont été développées pour simplifier les règles du micron standard de l'industrie. Cela permet de mettre à l'échelle la capacité de différents processus. L'unité de longueur lambda est la distance par laquelle la caractéristique géométrique d'une couche peut chevaucher celle d'une autre couche, et est déterminée par les limites de la technologie du procédé.

Si l'unité de longueur est lambda, toutes les largeurs, espacements et distances sont exprimés en m * lambda. M est le facteur d'échelle. La région diffusée a un facteur d'échelle d'au moins 2 lambdas. Conformément à la règle empirique, les régions diffusées, qui ne sont pas connectées, ont une séparation de 3 lambdas. Les lignes métalliques ont une largeur et une séparation minimum de 3 lambdas dans la conception VLSI standard.

F. Mise à l'échelle dans la conception VLSI

Les progrès de la technologie nous permettent de réduire la taille des appareils. Ce processus de réduction de taille est appelé mise à l'échelle. Les principaux avantages de la mise à l'échelle de la conception VLSI sont que, lorsque les dimensions d'un système intégré sont mises à l'échelle à une taille réduite, la performance globale du circuit est améliorée. Les autres objectifs de la mise à l'échelle sont: une plus grande densité de paquets, une plus grande vitesse d'exécution, un coût de périphérique réduit.

Certains des modèles de mise à l'échelle les plus utilisés sont -

  1. Mise à l'échelle du champ électrique constant
  2. Mise à l'échelle de tension constante.

Pour le champ électrique constant, les effets non linéaires sont éliminés car le champ électrique du circuit reste le même. Pour comprendre la mise à l'échelle dans la conception VLSI, nous prenons deux paramètres comme α et β. Pour un champ électrique constant, β = α et pour une mise à l'échelle de tension, β = 1.

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À propos de Sudipta Roy

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