VLSI 如何彻底改变半导体设计

在 1970 年代初期，很明显集成电路将成为
大不了。新的电子系统有可能重塑现代社会。
但随着芯片膨胀到数万个晶体管，设计人员开始苦苦挣扎
随着它们越来越复杂。它威胁着行业的发展。
然后在 1980 年，两位计算机科学家 Carver Mead 和 Lynn Conway 发布了一本教科书
这引发了半导体设计范式的转变。
在本视频中，我们将了解 VLSI 系统设计如何彻底改变行业。
1971年，英特尔发布了市场上第一款商用微处理器：
英特尔 4004。使用 10 微米光刻技术在 2 英寸晶圆上制造，
4004 有 2,300 个晶体管。这是技术上的突破。
英特尔最初打算将 4004 独家销售给一家名为 Busicom 的日本公司。
Busicom 想要为其电子计算器系列提供一套集成电路。
然而，英特尔最终决定将微处理器引入公开市场。
他们将其宣传为“集成电子的新时代”。
这一次，营销是正确的。集成电路是未来。
然而，许多公司和制造商面临一个大问题
在制作复杂的集成电路时：你只需要一个天才。
4004 的设计师 Federico Faggin 曾是独角兽。他懂电脑，
设计了逻辑和电路，并在开发这两个过程和经验丰富
产品。他利用自己对硅栅技术的深入了解，创作了一件真正的艺术品。
Federico 和 Busicom 的首席工程师 Masatoshi Shima 自己切出红宝石条
这样光刻机就可以把这个漂亮的芯片设计从纸上转移到晶圆上。
在整个 1970 年代，能够设计芯片的人只有 Faggin。
了解半导体从大门到制造过程的一切的人。
并且在早期这个工作 - 几乎没有。
然而，到本世纪末，很明显这种情况无法继续下去。
发展正在快速推进。正在创建新的角色和专业，
甚至天才也难以跟上。
到现在很明显，在 10 到 20 年内，商业销售的芯片
能够在其上拥有数百万个晶体管。如果设计师能跟上。
因此，在 1976 年，加州理工学院和施乐 PARC——帕洛阿尔托著名的研究实验室——启动了
在一个联合研究项目上，为个人计算机轻松创建硅系统。
参与该项目的两个人是加州理工学院教授 Carver Mead
和 LSI 系统集团负责人 Lynn Conway。
米德曾担任英特尔的高级顾问，并曾
在 Gordon Moore 1965 年的文章之后推广了“摩尔定律”一词。
Conway 曾是计算机架构方面的专家，曾在 IBM 工作过。
两者一起创建了标准化的系统设计方法。绑在一起
有一套简单的设计规则。VLSI，代表超大规模集成电路。
为了获得灵感，康威回忆起 DC 和 AC 的时代。在世纪之交，
直流技术占主导地位，但已开始显示其时代。
另一方面，AC正在兴起并显示出很大的潜力，
但很少有人知道如何使用它。计算当时交流网络的电压
需要微积分，很多时间和很多困难。
然后在 1893 年，一位名叫查尔斯·斯坦梅茨 (Charles Steinmetz) 的德国美国移民打破了僵局
制定了一系列简化数学并产生可预测结果的设计规则。
康威设想她的 VLSI 原则也能做到这一点：
把所有积累的、极其复杂的逻辑设计知识，
电路设计和电路布局，并将其变成一套优雅的简单规则。
这些规则可用于设计整个系统，而不仅仅是电路。
遵守设计规则，一切都会按照预期的方式工作。
VLSI 设计中最重要的任务是利用和管理复杂性。
为此，VLSI 研究了软件编程的概念
为设计数以万计的晶体管带来结构：
抽象、系统和子系统的层次结构，以及公共“块”的使用/重用。
它介绍了我在之前的视频中谈到的设计流程。
您从上到下设计芯片。从总体结构开始，
定义电路，然后最后将这些电路连接在一起。
至关重要的是，康威提出了使用长度比定义所有设计规则的想法
而不是长度尺寸。基本长度单位是康威单位，称为“lambda”。
基于 Lambda 的设计使半导体设计人员能够从一个平滑过渡
随着这些进程的缩小，节点进程转移到另一个进程。现在每个电路“块”可以是
共享和重用，而不用关心它们最初设计的节点。
使用 VLSI，您可以创建特定产品
使用从标准单元库中提取的通用组件。这样，
它使硬件与运行它的软件非常相似——这是硅的一个特别独特的功能。
但是如何推广这个想法呢？1977 年 6 月，在一个晚上的团队头脑风暴会议上，
康威突然想到将他们的新设计系统变成教科书。自行出版
使用 PARC 的计算机，这本书可能有助于传播他们的想法。剧透警报，确实如此。
在接下来的几个月里，包括 Mead 和 Conway 在内的众多作者，
主要作者撰写了名为“VLSI 系统简介”的书。
他们添加了实际示例来帮助说明这些原则。
他们与全国各地的大学教授合作并收到了他们的反馈
使用一种叫做 ARPAnet 的新事物。
然后康威在 1978 年被邀请去麻省理工学院教授 VLSI 课程给一些大四学生。
硕士水平的学生。她设计课程是为了让学生尽快设计：
上半年的规则和概念，下半年的项目。
尽管只有原始的 EDA 工具，并且在某些时候手动检查他们的工作，
学生们做出了正确、有效的设计。
一位名叫 Guy Steele Jr 的学生设计了一个完整的 LISP 微处理器。
他后来为 Emacs 设计了最初的命令集。
Hewlett-Packard 使用 6 微米硅栅极工艺来生产这些设计
并于 1979 年 1 月将最终芯片运回麻省理工学院。
康威 1978 年的 MIT 课程在全国范围内催生了许多其他课程。120所大学
到 1983 年开始提供 VLSI 课程，这对年轻的芯片设计师来说是一个启示。
教科书将被非法翻译成各种语言，包括俄语。
斯坦福大学的一个人 Jim Clark 在 Xerox PARC 的一个夏天从 Lynn Conway 那里学习了 VLSI。
他继续设计“几何引擎”芯片，
革命性的图形处理器。后来，他找到了 Silicon Graphics。
VLSI 将芯片设计重新构想为模块化的东西，
允许分离半导体设计及其制造。专家可以
现在专注于优化流程的一部分，而无需成为另一部分的专家。
1978 年，DARPA 将 VLSI 技术确定为感兴趣的领域，并开始资助额外的
在伯克利、麻省理工学院、卡内基梅隆大学、加州理工学院等大学进行研究。该程序
非常开放。研究人员可以分享他们发现的任何东西，而且很少被分类。
到 1982 年，DARPA 每年在其 VLSI 项目上花费近 1 亿美元。
该程序最终衍生为围绕计算机辅助设计的多项计划，
工作站和 RISC 架构。许多这些创新至今仍在使用。
还缺少一件事。米德和康威设想了一个半导体产业
随着小型芯片公司做各种利基业务而爆炸式增长。
有点像奇怪而有趣的半导体初创公司的寒武纪大爆发。
然而，这并没有立即发生，原因是钱。
与尖端半导体制造相关的巨额资本支出
使公司远离该行业。
在 1978 年 MIT 第一门课程结束时，学生们必须实际使用
他们设计的芯片。这种特殊的努力最终将导致多项目芯片，
可以在单个晶圆上制造多种设计，从而节省成本。
这项技术被转移到南加州大学，该大学于 1981 年推出 MOSIS，
美国大学的电子商务服务提供商。学生提交
他们的设计通过互联网上传到 MOSIS。MOSIS 将它们分批处理并迅速制造出来。
MOSIS是第一家“独立代工厂”。但它仅限于美国学术界。各种各样的
其他国家推出了自己的版本。例如，法国的 Circuits Multi-Projets 或 CMP。
在台湾，Morris Chang 接受了创建并领导一家新的半导体公司的提议。
回顾他的行业经验，他决定
公司将为没有自己的晶圆厂的小型半导体设计团队提供服务。
台积电或台积电将 MOSIS 服务转变为商业服务
企业。而这个简单的想法又会让台积电成为一个 6000 亿美元的巨头。
VLSI 的黄金时代在 1990 年代结束，因为处理器发展到使用
并且重用标准化 IP 块开始影响芯片尺寸和性能。
标准单元格会浪费空间，这种情况再也不会发生了。
话虽如此，VLSI 范式帮助推动了该行业十多年。
帮助推动 1980 年代价值千亿美元的电子产品热潮。
回想起来，VLSI 既是技术上的突破，也是哲学上的突破。
它对齐和组织一代学生思想的方式，
值得学习，因为当今的半导体达到了前所未有的新尺寸和复杂性。
好了，今晚就到此为止。感谢收看。如果你喜欢这个视频，
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