一種將大量晶體管組合到單一芯片的集成電路

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。

超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integrated circuits：VLSI)

在一塊芯片上集成的元件數(shù)超過10萬個，或門電路數(shù)超過萬門的集成電路，稱為超大規(guī)模集成電路。超大規(guī)模集成電路是20世紀70年代后期研制成功的，主要用于制造存儲器和微處理機。64k位隨機存取存儲器是第一代超大規(guī)模集成電路，大約包含15萬個元件，線寬為3微米。

超大規(guī)模集成電路的集成度已達到600萬個晶體管，線寬達到0.3微米。用超大規(guī)模集成電路制造的電子設備，體積小、重量輕、功耗低、可靠性高。利用超大規(guī)模集成電路技術(shù)可以將一個電子分系統(tǒng)乃至整個電子系統(tǒng)“集成”在一塊芯片上，完成信息采集、處理、存儲等多種功能。例如，可以將整個386微處理機電路集成在一塊芯片上，集成度達250萬個晶體管。超大規(guī)模集成電路研制成功，是微電子技術(shù)的一次飛躍，大大推動了電子技術(shù)的進步，從而帶動了軍事技術(shù)和民用技術(shù)的發(fā)展。超大規(guī)模集成電路已成為衡量一個國家科學技術(shù)和工業(yè)發(fā)展水平的重要標志，也是世界主要工業(yè)國家，特別是美國和日本競爭最激烈的一個領(lǐng)域。

發(fā)展現(xiàn)狀

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。

不足

由于技術(shù)規(guī)模不斷擴大，微處理器的復雜程度也不斷提高，微處理器的設計者已經(jīng)遇到了若干挑戰(zhàn)。

功耗、散熱：隨著元件集成規(guī)模的提升，單位體積產(chǎn)生的熱功率也逐漸變大，然而器件散熱面積不變，造成單位面積的熱耗散達不到要求。同時，單個晶體管微弱亞閾值電流造成的靜態(tài)功耗由于晶體管數(shù)量的大幅增加而變得日益顯著。人們提出了一些低功耗設計技術(shù)，例如動態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)（dynamic voltage and frequency scaling (DVFS)），來降低耗散總功率。

工藝偏差：由于光刻技術(shù)受限于光學規(guī)律，更高精確度的摻雜以及刻蝕會變得更加困難，造成誤差的可能性會變大。設計者必須在芯片制造前進行技術(shù)仿真。

更嚴格的設計規(guī)律：由于光刻和刻蝕工藝的問題，集成電路布局的設計規(guī)則必須更加嚴格。在設計布局時，設計者必須時刻考慮這些規(guī)則。定制設計的總開銷已經(jīng)達到了一個臨界點，許多設計機構(gòu)都傾向于始于電子設計自動化來實現(xiàn)自動設計。

設計收斂：由于數(shù)字電子應用的時鐘頻率趨于上升，設計者發(fā)現(xiàn)要在整個芯片上保持低時鐘偏移更加困難。這引發(fā)了對于多核心、多處理器架構(gòu)的興趣（參見阿姆達爾定律）。

成本：隨著晶粒尺寸的縮小，晶圓尺寸變大，單位晶圓面積上的晶粒數(shù)增加，這樣制造工藝所用到的光掩模的復雜程度就急劇上升?，F(xiàn)代高精度的光掩模技術(shù)十分昂貴。