یکپارچه‌سازی کلان‌مقیاس

یکپارچه‌سازی در مقیاس کلان یا وی‌اِل‌اِس‌آی (به انگلیسی: Very-large-scale integration (VLSI)‎)؛ شاخه‌ای از مهندسی الکترونیک است که به بررسی یکپارچه‌سازی (مجتمع‌سازی) مدارهای خیلی پیچیده در یک مجموعه تراشه می‌پردازد.

VLSI فرآیند ایجاد یک مدار مجتمع (IC) با ترکیب میلیون ها ترانزیستور MOS  بر روی یک تراشه است.

این شاخه از الکترونیک به دو بخش کلی طراحی و پیاده‌سازی تقسیم شده‌است که در بخش پیاده‌سازی مباحث عملی مربوط به پیاده‌سازی مدارات یکپارچه در مقیاس بزرگ عنوان می‌شود. در بخش طراحی مباحث مربوط به طراحی با توجه به روش‌های پیاده‌سازی عنوان می‌شوند.

VLSI در دهه 1970 آغاز به کار کرد وقتی که تراشه های مدار مجتمع MOS به طور گسترده پذیرفته شدند و امکان توسعه فناوری های پیچیده نیم‌رسانا و مخابراتی را فراهم کردند. ریز پردازنده و حافظه نیمه هادی دستگاه های VLSI هستند. قبل از معرفی فناوری VLSI ، بیشتر IC ها عملکرد محدودتری داشتند. یک مدار الکترونیکی ممکن است از پردازنده ، ROM ، RAM و سایر منطق چسب تشکیل شده باشد . VLSI به شما اجازه می دهد طراحان IC همه این موارد را به یک تراشه اضافه کنند .

زمینه 
تاریخچه ترانزیستور ها به دهه 1920 بازمی گردد هنگامی که چندین مخترع می خواستند دستگاه هایی را بسازند که بتواند جریان دیودهای حالت جامد را کنترل کنند و آنها را به ترایود تبدیل کنند. این موفقیت پس از جنگ جهانی دوم حاصل شد زمانی که برای ردیاب رادار از بلور های سیلیکون و ژرمانیوم استفاده شد دانشمندانی که روی رادار کار کرده بودند دوباره به توسعه دستگاه حالت جامد بازگشتند. با اختراع اولین ترانزیستور در آزمایشگاه های بل در سال 1947 ، رشته الکترونیک از لوله های خلا به دستگاه های حالت جامد تغییر یافت.

در دهه 1950 مهندسان برق با داشتن ترانزیستور های کوچک امکان ساخت مدار های پیشرفته تر را پیدا کردند. اما با پیچیده تر شدن مدارها مشکلاتی به وجود آمد. یک مشکل اندازه مدار بود. یک مدار پیچیده مانند کامپیوتر به سرعت وابسته بود. اگر اجزا مدار بزرگ باشد ، سیمهای متصل به آنها باید طولانی باشد. سیگنال های الکتریکی برای عبور از مدار زمان بر بودند ، این اتفاق باعث کاهش سرعت کامپیوتر می شود. 

این مشکل با اختراع مدار مجتمع حل شد. مدار مجتمع توسط جک کیلبی و رابرت نویس با قطعات و بلوک یکپارچه از مواد نیم رسانا ساخته شد. مدارها را می توان کوچک تر کرد و فرآیند ساخت آن می تواند خودکار باشد. این فرآیند باعث به وجود آمدن ایده ساخت کلیه اجزا در ویفر سیلیکونی تک بلوری شد که مقیاس کوچک آن (SSI) اوایل دهه 1960 و مقیاس متوسط آن (MSI) اواخر دهه 1960 ساخته شد.

VLSI 
ساخت آن در مقیاس بسیار بزرگ با تصویر گسترده ماسفت امکان پذیر شد که آن را ابتدا محمد محمد عطاالله و داوون کانگ در سال 1959 در آزمایشگاه های بل اختراع کردند. مفهوم ماسفت را برای اولین بار محمد محمد عطالله در سال 1960 و سپس داوون کانگ در سال 1961 ارائه دادند ، هردو ی آن ها خاطرنشان کردند که این مفهوم برای ساخت مدار های مجتمع بسیار مفید است.   کمپانی General Microelectronics اولین مدار مجتمع تجاری ماسفت را در سال 1964 معرفی کرد.  در اوایل دهه 1970 ، فناوری ماسفت امکان استفاده بیش از ده هزار ترانزیستور را در یک تراشه داد.  این امر VLSI را در دهه های 1970 و 1980 با ده ها هزار ترانزیستور MOS روی یک تراشه (بعداً صدها هزار ، سپس میلیون ها و اکنون میلیاردها) راه را برای VLSI هموار کرد.

در اولین تراشه های نیم رسانا دو ترانزیستور قرار داشت. پیشرفت های بعدی باعث شد ترانزیستور های بیشتری ساخته شوند و درنتیجه باعث شد سیستم های بیشتر و پیشرفته تری ساخته شوند. اولین مدارهای مجتمع تنها چند دستگاه را در خود جای می داد تقریبا به اندازه ده دیود و همچنین ساخت یک یا چند دروازه منطقی روی آن امکان پذیر است. در گذشته به عنوان یکپارچه سازی در مقیاس کوچک (SSI) شناخته می شد ، پیشرفت این روش باعث شد تا در آن بتوان دستگاه هایی با صدها دروازه منطقی قرارداد که به عنوان ادغام در مقیاس متوسط (MSI) شناخته می شوند. پیشرفت های بیشتر منجر به ادغام در مقیاس بزرگ (LSI) ، یعنی سیستم هایی با حداقل هزار دروازه منطقی شد. فناوری کنونی از این علامت بسیار دورتر شده است و ریزپردازنده های امروزی دارای میلیون ها دروازه و میلیاردها ترانزیستور منفرد هستند.

زمانی ، تلاش هایی برای نامگذاری و مدرج کردن سطوح مختلف ادغام در مقیاس بزرگ بالاتر از VLSI کردند. از اصطلاحاتی مانند یکپارچه سازی در مقیاس فوق العاده بزرگ (ULSI) استفاده شد. اما این نام گذاری به خاطر تفاوت ها در دروازه های منطقی و ترانزیستور ها مورد بحث قرار گرفت اصطلاحاتی که در گذشته برای VLSI انتخاب شده بود دیگر به طور گسترده استفاده نمی شود.

در سال 2008 ، پردازنده های پیشرفته تر که در آن چند میلیارد ترانزیستور داشت به بازار آمد. با تولید نیم رسانا از نسل فرآیندهای 65 نانومتری ، این امر راحت تر شد. برخلاف طراحی های قدیمی ، در طراحی های کنونی از طراحی های گسترده و منطق خودکار برای ساخت ترانزیستورها استفاده می شود که در عملکرد های منطقی سطح بالاتری از پیچیدگی را شامل می شود. برخی از بلوک های منطقی با عملکرد بالا مانند سلول SRAM ( حافظه دسترسی تصادفی ثابت ) هنوز هم با دست طراحی شده اند تا بالاترین بازده را تضمین کنند.

طراحی ساختاری 
طراحی VLSI ساختار یافته یک روش مدولار (قطعه قطعه) است که توسط کارور مید و لین کانوی برای صرفه جویی در منطقه میکروچیپ با به حداقل رساندن سطح پارچه های بهم پیوسته ایجاد شده است. این امر با چیدمان تکراری بلوک های درشت مستطیلی به دست می آید که می توان آن را به وسیله سیم کشی پایه به یک دیگر متصل کرد . مثلا می توان طرح یک جمع کننده را به یک ردیف سلول قطعه قطعه با بیت های برابر تقسیم کرد. در طراحی های پیچیده این ساختار بندی ممکن است با تودرتو سلسله مراتبی حاصل شود. 

طراحی VLSI ساختار یافته در اوایل دهه 1980 محبوب بود ، اما بعدها محبوبیت خود را از دست داد به دلیل به وجود آمدن ابزار مسیر یابی ، مساحت زیادی با مسیریابی هدر رفته و اشغال می شود درصورتیکه این مشکل با استفاده از قانون مور حل شده است. هنگام معرفی زبان توصیف سخت افزار KARL در اواسط دهه 1970 ، رینر هارتنشتاین اصطلاح "VLSI ساختار یافته" (در اصل به عنوان "طراحی LSI ساختار یافته") را ابداع کرد ، و از رویه برنامه ریزی ادسگر دیکسترا با لانه سازی روش جلوگیری می کند تا از ساخت و ساز آشفته ساختار اسپاگتی جلوگیری کند.

همچنین ببینید 

 سیستم روی تراشه (SoC)
 مهندسی نورومورفیک
 مدار مجتمع مخصوص برنامه
 مکعب کیهانی Caltech
 بررسی قوانین طراحی
 اتوماسیون طراحی الکترونیکی
 انقلاب مید و کانوی
 پلی سیلیکون
 لیست گیاهان ساخت نیمه هادی

منابع

خواندن بیشتر 

 Baker, R. Jacob (2010). CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, Third Edition. Wiley-IEEE. pp. 1174. ISBN 978-0-470-88132-3. http://CMOSedu.com/
 Weste, Neil H. E. & Harris, David M. (2010). CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, Fourth Edition. Boston: Pearson/Addison-Wesley. p. 840. ISBN 978-0-321-54774-3. http://CMOSVLSI.com/
 Chen, Wai-Kai (ed) (2006). The VLSI Handbook, Second Edition (Electrical Engineering Handbook). Boca Raton: CRC. ISBN 0-8493-4199-X.CS1 maint: extra text: authors list (link)
 Mead, Carver A. and Conway, Lynn (1980). Introduction to VLSI systems. Boston: Addison-Wesley. ISBN 0-201-04358-0.CS1 maint: multiple names: authors list (link)

لینک های خارجی 

 سخنرانی های طراحی و اجرای سیستم های VLSI در دانشگاه براون 
 طراحی سیستم های VLSI
 جریان طراحی کامل VLSI 
مدارهای مجتمع
مهندسی مخابرات