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)在不同的標準中有所不同。從1970年代開始，隨著復雜的半導體以及通信技術(shù)的發(fā)展，集成電路的研究、發(fā)展也逐步展開。計算機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例，超大規(guī)模集成電路設計(VLSI design)，尤其是數(shù)字集成電路，通常采用電子設計自動化的方式進行，已經(jīng)成為計算機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)想在后來的雙極性晶體管中得以實現(xiàn)。然而，他們的設想直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后才得以實現(xiàn)。在戰(zhàn)爭時期，人們把精力集中在制造雷達這樣的軍工產(chǎn)品，因此電子工業(yè)的發(fā)展并不如之后那樣迅猛，不過人們對于半導體物理學的了解逐漸增加，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，著名的貝爾實驗室成功地研制了晶體管。自此，電子學的研究方向從真空管轉(zhuǎn)向到了固態(tài)電子器件。晶體管在當時看來具有小型、高效的特點。1950年代，一些電子工程師希望以晶體管為基礎，研制比以前更高級、復雜的電路充滿了期待。然而，隨著電路復雜程度的提升，技術(shù)問題對器件性能的影響逐漸引起了人們的注意。像計算機主板這樣復雜的電路，往往對于響應速度有較高的要求。如果計算機的元件過于龐大，或者不同元件之間的導線太長，電信號就不能夠在電路中以足夠快的速度傳播，這樣會造成計算機工作緩慢，效率低下，甚至引起邏輯錯誤。1958年，德州儀器的杰克·基爾比找到了上述問題的解決方案。他提出，可以把電路中的所有元件和芯片用同一半導體材料塊制成。當時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計。隨后，他研制了一個這種新型電路的測試版本。1958年9月，第一個集成電路研制成功。盡管這個集成電路看來還非常粗糙，而且存在一些問題，但集成電路在電子學史上確實是個創(chuàng)新的概念。通過在同一材料塊上集成所有元件，并通過上方的金屬化層連接各個部分，就不再需要分立的獨立元件了，這樣，就避免了手工組裝元件、導線的步驟。此外，電路的特征尺寸大大降低。隨著電子設計自動化的逐步發(fā)展，制造工藝中的許多流程可以實現(xiàn)自動化控制。自此，把所有元件集成到單一硅片上的想法得以實現(xiàn)，小規(guī)模集成電路(Small Scale Integration, SSI)時代始于1960年代早期，后來歷經(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)量可以達到10,000個。

截至2012年晚期，數(shù)十億級別的晶體管處理器已經(jīng)得到商用。隨著半導體制造工藝從32納米水平躍升到下一步22納米，這種集成電路會更加普遍，盡管會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的GeForce 700系列的首款顯示核心，代號‘GK110’的圖形處理器，采用了全部71億個晶體管來處理數(shù)字邏輯。而Itanium的大多數(shù)晶體管是用來構(gòu)成其3千兩百萬字節(jié)的三級緩存。Intel Core i7處理器的芯片集成度達到了14億個晶體管。所采用的設計與早期不同的是它廣泛應用電子設計自動化工具，設計人員可以把大部分精力放在電路邏輯功能的硬件描述語言表達形式，而功能驗證、邏輯仿真、邏輯綜合、布局、布線、版圖等可以由計算機輔助完成。

“超大規(guī)?！?，是好多年以前的說法了。最先進的制造工藝，已經(jīng)到了7納米的數(shù)量級，實際量產(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)、三星(韓國)、臺積電(臺灣)。其他公司大都是歐美、日本和臺灣公司。中國大陸只有中芯國際還能跟上技術(shù)發(fā)展潮流。