VLSI: definición, diseño, reglas importantes y escalado

A. ¿Qué es VLSI?

Para saber sobre VLSI, tenemos que saber sobre IC o circuito integrado. Un IC es un chip o un paquete de procesos que contiene transistores o circuitos digitales en miles de millones.

VLSI o integración a muy gran escala se refiere al proceso de incorporar transistores (especialmente Transistores MOS) para formular IC.

Los dispositivos VLSI constan de miles de puertas lógicas. Ayudan a crear grandes matrices de memoria. Las matrices se utilizan en microcontrolador y microprocesadores. Es posible incorporar de 104 a 109 componentes en un solo chip en la técnica de diseño VLSI estándar.

B. Historia y antecedentes de VLSI

El primer transistor fue inventado en el año 1947 por J. Barden, W. Shockley, W. Brattain en Bell Laboratories. Los tres científicos se volvieron nobles por la invención en el año 1956. El tamaño del transistor se redujo con el progreso en el tiempo y la tecnología.

A Jack Kilby y Robert Noyce se les ocurrió la idea de IC donde los componentes están conectados dentro de un solo chip. esto ayudó ingenieros para aumentar la velocidad del funcionamiento de varios circuitos.

Ley de Moro: En el año 1998, el cofundador de Intel Corporation, Gordon Moor, predijo una tendencia en la cantidad de componentes en un circuito integrado.

Él predijo que ...

“El número de transistores dentro de un microchip se duplica cada dos años”.

La tendencia se sigue con algunas excepciones.

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Gráfico que muestra cómo el mundo ha seguido la Ley de Moor, Crédito de la imagen: Max Roser, Hannah Ritchie, Recuento de transistores de la ley de Moore 1970-2020CC BY 4.0

El progreso de los circuitos integrados conduce al descubrimiento de la tecnología de integración o VLSI a gran escala. Antes de que se inventara el VLSI, existían otras tecnologías como pasos. Se comentan a continuación.

  • Integración SSI o pequeña escala: Este tipo de circuitos integrados contiene menos de diez puertas lógicas. Estas puertas IC tienen varias puertas o flip-flops asociados con un paquete.
  • Integración MSI o mediana escala: Estos paquetes contienen de diez a mil puertas lógicas. Los circuitos integrados MSI pueden generar puertas lógicas básicas. Las puertas lógicas se pueden usar para hacer circuitos secuenciales y combinacionales como mux-demux, codificadores-decodificadores, latch, flip flop, registros, etc
  • LSI o integración a gran escala: Las unidades LSI contienen más de cien puertas. Los circuitos integrados LSI crean estructuras de circuitos más complejas, como calculadoras, miniordenadores, etc.
  • VLSI o integración a gran escala: Contiene miles de puertas lógicas.
  • Integración ULSI o Ultra Large Scale: Un solo chip contiene más de 10 ^ 9 componentes.

A continuación se ofrece una descripción general de la transformación.

VLSI DIFERENTES ESCALAS
Diferentes rangos para el diseño de integración de escala (en el diseño VLSI estándar se utilizan> 10000 puertas por IC)

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C. Diseño VLSI

Un diseño VLSI tiene varias partes. Necesita una representación física, estructural y de comportamiento correcta y perfecta del circuito. Se omite la información redundante y repetitiva para hacer un buen sistema de arte. Se logra mediante el uso de la descripción del diseño gráfico y la representación simbólica de los componentes y las interconexiones.

Las arquitecturas VLSI utilizan transistores de efecto de campo MOS de canal n y MOS complementarios. MOS o CMOS complementarios necesitan que los FET MOS de canal ny de canal p se fabriquen en el mismo sustrato.

En la década de 1980, la demanda de una mayor densidad de paquetes creció y afectó el consumo de energía de los circuitos integrados NMOS. El consumo de energía llegó a ser tan alto que la disipación de la energía planteó un problema grave. Para resolver el problema, surgió la tecnología CMOS como solución.

CMOS proporciona alta impedancia de entrada, alto margen de ruido y operación bidireccional. Es por eso que funciona sin problemas como un interruptor.

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D. Transistores en diseño VLSI

El semiconductor de óxido de metal Transistor de efecto de campo o MOSFET es el componente clave en chips VLSI de alta densidad.

¿Por qué se usa FET en VLSI?

Los transistores de efecto de campo o FET son probablemente las formas más simples del transistor. Los FET se utilizan ampliamente en aplicaciones analógicas y digitales. Están separados por un gran valor de resistencia de entrada y un área y tamaño más pequeños, y se pueden usar para formar circuitos con bajo consumo de energía. Es por eso que se utilizan ampliamente en la integración a gran escala.

CMOS y MOS de canal n se utilizan por su eficiencia energética.

Características de los transistores NMOS

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Representación simbólica de NMOS FET, Image Source - anónimo, IGFET N-Ch Enh etiquetado, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

En la imagen de arriba se muestra un transistor de efecto de campo NMOS con las representaciones de la corriente de drenaje y la tensión del terminal. Para un NMOS FET, los terminales de fuente y drenaje son simétricos (bidireccionales).

Cuando no hay carga en el terminal de la puerta, la ruta de drenaje a la fuente actúa como un interruptor abierto. Como una fina capa de óxido separa la puerta del sustrato, da un valor de capacitancia. Cuando el terminal de la puerta acumuló suficientes cargas positivas, el voltaje VGS excede un voltaje umbral VTH. Por lo tanto, los electrones se atraen en la región debajo de la puerta para dar un camino conductor entre el drenaje y la fuente.

El voltaje de la puerta mejora la conductividad del canal al entrar en la operación del modo de mejora. VTH ~ = 0.2 VDD da el VTH.

El portador mayoritario de este tipo de FET son los agujeros. Cuando la puerta positiva a la fuente de voltaje o VGS es menor que VTH, la mayoría de portadores o agujeros son repelidos en el sustrato. Ahora, en la superficie del tipo p no hay portador. No hay corriente debido a la región de agotamiento.

Ahora, cuando el voltaje de la puerta a la fuente supera el voltaje umbral, una cantidad saludable de portadores minoritarios es atraída hacia la superficie (que en nuestro caso es el electrón). Por tanto, se forma un canal de capa de inversión entre la fuente y el terminal de drenaje. 

La siguiente expresión da el ID de la corriente de drenaje.

ID = Carga inducida en el canal (Q) / tiempo de tránsito (τ)

El tiempo de tránsito de la carga τ es el tiempo que tarda un portador de carga en cruzar el canal desde el terminal de origen al terminal de drenaje. Para un valor pequeño de VDS,

τ = Distancia de drenaje a fuente (L) / Velocidad de deriva de electrones (vd) = L / μ E = L2 / VDS μ

E es el campo eléctrico y se expresa como, mi = VDs / l

μ es la movilidad de los electrones. Hemos dicho anteriormente que existe un valor de capacitancia que genera. La capacitancia se da como C = εA / D = εWL / D

W es el ancho, mientras que D es el espesor de la capa de dióxido. ε representa la permitividad de la capa de óxido. Para el dióxido de silicona, la relación de ε / ε0 viene como 4. El cargo en tránsito es -

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

La corriente de drenaje se da como - ID = Q / τ = (μεW / LD) * (VGS - VTH - VDS/ 2) VDS

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

Las características de salida de un transistor NMOS se muestran en el siguiente gráfico.

Diseño vLSI
Características de salida de un transistor NMOS

En la región de saturación, la corriente de drenaje se obtiene como -

DI = (μεW / 2LD) (VGS - VTH)2

Los transistores NMOS también se pueden fabricar con los valores de la tensión umbral VTH <= 0. Los transistores se denominan dispositivos en modo de agotamiento.

E. Reglas de diseño de VLSI

El diseño de VLSI tiene algunas reglas básicas. Las reglas son específicamente algunas especificaciones geométricas que simplifican el diseño de la máscara de diseño. Las reglas proporcionan detalles de las dimensiones mínimas, los diseños de líneas y otras medidas geométricas que se obtienen de los límites de cierta experiencia de dispensación.

Estas reglas ayudan al diseñador a diseñar un circuito en el área más pequeña posible sin comprometer el rendimiento y la confiabilidad.

Hay dos conjuntos de reglas de diseño.

  • Regla de Micron La regla evoluciona en torno a restricciones de implementación como: tamaño mínimo de características, separaciones de características más pequeñas permitidas. Se cotizan con respecto a rangos de micrómetros.
  • Reglas de diseño basadas en Lambda: las restricciones sobre la distancia en el diseño se expresan en términos de unidad de longitud primaria lambda. Las reglas se desarrollaron para simplificar las reglas de micrones estándar de la industria. Esto permite escalar la capacidad para diferentes procesos. La unidad de longitud lambda es la distancia por la cual la característica geométrica de una capa puede superponerse con la de otra capa, y está determinada por las limitaciones de la tecnología del proceso.

Si la unidad de longitud es lambda, entonces todos los anchos, espaciamientos y distancias se expresan como m * lambda. M es el factor de escala. La región difusa tiene un factor de escala de un mínimo de 2 lambdas. Según la regla del pulgar seguro, las regiones difusas, que no están conectadas, tienen una separación de 3 lambdas. Las líneas metálicas tienen un ancho mínimo y una separación de 3 lambdas en el Diseño VLSI estándar.

F. Escalado en diseño VLSI

El avance de la tecnología nos permite reducir el tamaño de los dispositivos. Este proceso de reducción de tamaño se conoce como escalado. Las principales ventajas de escalar el diseño VLSI son que, cuando las dimensiones de un sistema integrado se escalan a un tamaño reducido, el rendimiento general del circuito mejora. Otros objetivos del escalado son: mayor densidad de paquetes, mayor velocidad de ejecución, menor costo del dispositivo.

Algunos de los modelos de escala más utilizados son:

  1. Escalado constante del campo eléctrico
  2. Escala de voltaje constante.

Para el campo eléctrico constante, los efectos no lineales se eliminan ya que el campo eléctrico del circuito permanece igual. Para comprender la escala en el diseño VLSI, tomamos dos parámetros como α y β. Para campo eléctrico constante, β = α y para escalado de voltaje, β = 1.

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