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Noções básicas de VLSI: Conceitos, Princípios e Estrutura Explicados
Em praticamente todos os produtos eletrônicos modernos, você encontrará pelo menos um chip de circuito integrado (CI) realizando milhões ou até bilhões de operações como:
- Os smartphones utilizam chips para processamento, armazenamento de dados, comunicação sem fio, imagem, áudio e gerenciamento de energia.
- Os carros dependem de chips para controle do motor, frenagem, navegação, sistemas de segurança e funções de assistência ao motorista.
- Data centers, equipamentos médicos e robôs industriais dependem da mesma tecnologia semicondutora subjacente.
O campo da engenharia que torna esses chips altamente integrados possíveis é conhecido como VLSI. No entanto, não se trata apenas de aumentar a contagem de transistores. Trata-se também de organizar esses transistores em um sistema útil — um que opera na velocidade necessária, consome energia aceitável, pode ser fabricado economicamente e continua a funcionar de forma confiável sob condições operacionais do mundo real.
Se esta é sua primeira introdução a VLSI, este artigo fornecerá um ponto de partida prático. Ele explica o que VLSI significa, esclarece vários conceitos comumente confundidos e explora a estrutura interna de um chip VLSI.
Comecemos.
O que significa VLSI
VLSI significa Very-Large-Scale Integration (Integração em Larga Escala), que descreve um nível de integração eletrônica no qual um número muito grande de dispositivos eletrônicos e componentes de circuito são fabricados em um único chip.
Neste termo:
- “Very-large-scale” refere-se ao número e à complexidade dos dispositivos eletrônicos integrados ao projeto.
- “Integração” significa que transistores, interconexões e outros elementos de circuito são fabricados juntos em vez de serem montados como componentes separados.
O produto final é um chip IC projetado para uso em eletrônicos, de acordo com as prioridades de sua aplicação pretendida. Por exemplo:
- Um chip móvel pode enfatizar a duração da bateria.
- Um acelerador de data center pode priorizar a vazão.
- A eletrônica automotiva pode requerer rigorosas medidas de segurança e confiabilidade.
- Um pequeno dispositivo sensor pode precisar operar por anos a partir de uma fonte de energia limitada.
Portanto, VLSI não se refere a um tipo específico de chip, mas sim descreve uma metodologia de tecnologia e engenharia.
Por que o VLSI foi desenvolvido
Antes que os circuitos integrados se tornassem práticos, os sistemas eletrônicos eram construídos a partir de componentes discretos. Cada transistor, resistor e capacitor era fabricado separadamente e conectado em uma placa de circuito.
Esta abordagem funcionou para sistemas relativamente simples, mas criou vários problemas à medida que a complexidade dos circuitos aumentava:
- O equipamento ocupava uma grande área física.
- As conexões entre os componentes aumentaram o esforço de fabricação.
- Fios longos adicionaram atraso elétrico e consumo de energia.
- Um grande número de conexões reduziu a confiabilidade.
- A fabricação e a manutenção tornaram-se caras.
- O aumento da funcionalidade do sistema tornou-o desproporcionalmente mais complexo.
A integração mudou esse modelo. Em vez de montar e conectar transistores individuais, os fabricantes podiam fabricar muitos transistores e suas interconexões no mesmo substrato semicondutor.
As vantagens foram significativas. Circuitos integrados eram menores, mais rápidos e mais confiáveis do que sistemas equivalentes construídos a partir de componentes discretos. Uma vez que um processo de fabricação tivesse sido estabelecido, os chips também poderiam ser produzidos em grandes volumes a um custo comparativamente baixo por dispositivo.
À medida que a integração aumentou, funções inteiras que antes exigiam múltiplas placas de circuito puderam ser implementadas em um único chip. O VLSI (Very Large Scale Integration) tornou possível o microprocessador, a memória de semicondutor de alta densidade e os dispositivos de sistema-em-um-chip de hoje.
De SSI para VLSI
O desenvolvimento de circuitos integrados é frequentemente descrito utilizando vários níveis históricos de integração:
- Integração em Pequena Escala (SSI) Os dispositivos continham um pequeno número de portas lógicas. Esses chips implementavam funções elementares, como inversores, portas AND, portas OR e flip-flops simples.
- Integração em Média Escala (MSI): trouxeram funções maiores para um único dispositivo. Exemplos incluíam contadores, decodificadores, multiplexadores e pequenos circuitos aritméticos.
- Integração em Larga Escala (LSI): possibilitou produtos consideravelmente mais complexos, incluindo os primeiros processadores e dispositivos de memória.
- Integração em Larga Escala (Very-Large-Scale Integration - VLSI): permitiram que milhares, em seguida milhões e, eventualmente, bilhões de transistores fossem integrados em circuitos altamente complexos.
O aumento contínuo na integração está associado à lei de Moore:
O número de transistores por chip cresceria exponencialmente (dobrando a cada 18 meses).
Fabricantes de semicondutores têm historicamente conseguido aumentar o número de componentes colocados economicamente em um chip em uma taxa acelerada. Esse progresso não apenas tornou os circuitos existentes menores; permitiu que designers criassem produtos com capacidades que anteriormente seriam impraticáveis.
O escalonamento tornou-se mais difícil nas gerações avançadas de fabricação. Dispositivos menores intensificam os desafios envolvendo corrente de fuga, calor, variação de processo, atraso de interconexão e custo de fabricação. A indústria agora avança através de uma combinação de transistores menores, novas estruturas de dispositivos, arquiteturas especializadas, chiplets, integração tridimensional e empacotamento aprimorado.
Como Funciona um Chip VLSI
A maioria dos chips VLSI digitais processa informações em formato binário. Tensões dentro do circuito representam valores lógicos, como zero e um. Transistores controlam como esses valores são gerados, armazenados e transferidos.
Um portão lógico simples pode exigir apenas alguns transistores. Uma função maior requer muito mais. A seguir, uma lista de blocos funcionais comuns com complexidades crescentes dentro de um chip VLSI e seus principais casos de uso:
- Chinelos Armazena um pouco de informação.
- Registrar: Armazena um grupo de bits.
- Adicionador Realiza uma operação aritmética.
- Multiplexador: Seleciona uma entrada dentre várias alternativas.
- Máquina de Estados Finitos Controla uma sequência de operações.
- Matriz de Memória: Armazena instruções ou dados.
- Processador: Executa instruções coordenando data paths, registradores, memórias e lógica de controle.
Milhões desses elementos podem operar em conjunto. Muitos são sincronizados por um ou mais sinais de clock que determinam quando os dados são capturados e quando a próxima operação começa.
Nem todo circuito em um chip VLSI é digital. Um dispositivo também pode conter funções analógicas que lidam com sinais elétricos em contínua variação. Circuitos integrados modernos frequentemente combinam subsistemas digitais, analógicos e de sinais mistos.
Como o CMOS Possibilita o VLSI Digital
A maioria dos produtos VLSI digitais é baseada na tecnologia de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS).
Circuitos CMOS utilizam dois tipos complementares de transistores:
- Transistores MOS de canal n
- Transistores MOS de canal p
Um inversor CMOS fornece o exemplo mais simples. Quando a entrada está baixa, um transistor leva a saída para um nível alto. Quando a entrada está alta, o outro transistor leva a saída para um nível baixo. Idealmente, o circuito consome relativamente pouca energia em estado estacionário, pois não há um caminho contínuo de baixa resistência entre a fonte de alimentação e o terra.
Ao organizar transistores CMOS em diferentes combinações, os engenheiros criam portas lógicas, elementos de armazenamento e circuitos mais complexos.
Designers digitais geralmente não constroem cada porta transistor por transistor. Em vez disso, eles utilizam coleções de blocos de construção pré-projetados chamados de células padrão. Uma biblioteca de células padrão pode incluir:
- Buffers e Inversores
- Multiplexadores
- Trava e flip-flop
- Células de clock-gating
- Conversores de nível
- Celas de isolamento
- Células de chaveamento de potência
- Células sequenciais compatíveis com escaneamento
Cada célula possui dimensões físicas e características elétricas conhecidas. O software de projeto seleciona e conecta essas células para implementar a funcionalidade requerida.
O que há dentro de um chip VLSI moderno
Um produto VLSI moderno pode conter muito mais do que um processador. O conteúdo exato depende da aplicação, mas vários tipos de blocos são comuns.
- Unidades de Processamento
Um chip pode conter um ou mais núcleos de processador de propósito geral. Ele também pode incluir unidades especializadas para gráficos, processamento de sinais digitais, inteligência artificial, processamento de imagens ou criptografia. Hardware especializado pode executar certas cargas de trabalho mais rapidamente e com menos energia do que um processador de propósito geral. Esta é uma das razões pelas quais os chips modernos frequentemente contêm vários tipos diferentes de motores de computação.
- Memória
As unidades de processamento requerem instruções e dados. Um chip pode, portanto, incluir registradores, memórias cache, memória estática embutida, memória somente leitura e armazenamento local especializado. A organização da memória influencia fortemente o desempenho e o consumo de energia. A computação pode ser rápida, mas mover dados repetidamente por longas distâncias pode ser custoso em tempo e energia.
- Comunicação no Chip
Os blocos dentro de um chip devem trocar informações. Barramentos, crossbars e redes em chip fornecem caminhos de comunicação entre processadores, memórias, aceleradores e controladores de periféricos. À medida que os chips aumentam de tamanho, a arquitetura de comunicação torna-se uma consideração de projeto importante. Um sistema com unidades de processamento potentes ainda pode ter um desempenho ruim se os dados não puderem se mover entre elas eficientemente.
- Controladores de Interface
Controladores de interface permitem que o chip se comunique com dispositivos de memória, sensores, displays, redes, equipamentos de armazenamento e outros chips. Dependendo do produto, estes podem suportar interfaces USB, Ethernet, PCI Express, links seriais ou de memória externa.
- Blocos Analógicos e de Sinais Mistos
Muitos chips interagem com o mundo físico através de sinais analógicos. Eles podem incluir conversores de dados, circuitos de geração de clock, transmissores e receptores de alta velocidade, sensores ou funções de gerenciamento de energia.
- Segurança, Teste e Depuração de Lógica
Circuitos modernos comumente incluem hardware de inicialização segura, motores de criptografia, recursos de diagnóstico e instalações de depuração. Circuitos adicionais são inseridos para que defeitos de fabricação possam ser identificados após a fabricação.
Etapas de Projeto de Chip VLSI
O projeto completo de um chip VLSI comercial é um processo altamente especializado. Para um iniciante, é útil compreendê-lo como uma sequência de estágios conectados.
- Definir o produto: Engenheiros começam decidindo o que o chip deve fazer. Eles definem suas funções, desempenho, interfaces, limites de energia, condições de operação e metas de custo.
- Crie a arquitetura: O sistema é dividido em grandes blocos, como processadores, memórias, unidades de comunicação e interfaces. Arquitetos determinam como esses blocos trocarão dados e trabalharão em conjunto.
- Descreva o hardware digital: Designers digitais descrevem o comportamento requerido utilizando linguagens de descrição de hardware como SystemVerilog ou VHDL. Essa descrição é comumente escrita no nível de transferência de registradores (RTL).
- Verificar a funcionalidade: Engenheiros de verificação testam se o projeto segue sua especificação. Eles utilizam simulação e outras técnicas para explorar a operação normal, condições de erro e combinações incomuns de eventos.
- Converter o projeto para portas lógicas: O processo de síntese lógica traduz o RTL em uma rede de células padrão da tecnologia alvo.
- Crie o layout físico: As células são alocadas na área do chip e conectadas por meio de fios metálicos. Redes separadas distribuem os sinais de clock e a alimentação por todo o projeto.
- Verifique a implementação: Engenheiros verificam se os sinais chegam no tempo correto, se as conexões elétricas estão adequadas, se a rede de alimentação é suficiente e se o layout físico segue as regras de fabricação.
- Fabricar e testar o chip: O projeto completo é enviado a uma instalação de fabricação de semicondutores. Os chips fabricados são testados, encapsulados e validados no sistema pretendido.
Na prática, este processo não é totalmente linear. Engenheiros revisitam frequentemente decisões anteriores quando problemas de verificação, tempo, energia ou layout físico são descobertos.
Front-End e Back-End VLSI
O processo de projeto VLSI é comumente dividido em estágios de front-end e back-end. O projeto front-end define e verifica a arquitetura, a lógica e o comportamento pretendido do chip, enquanto o projeto back-end converte esse projeto lógico em um layout físico que pode ser fabricado e deve atender aos requisitos de tempo, energia, área e confiabilidade.
O front-end VLSI foca principalmente no que o chip faz. Ele inclui:
- Arquitetura e microarquitetura
- Projeto RTL
- Verificação funcional
- Planejamento de Clock e Reset
- Preparação para projeto para teste
- Síntese lógica
O back-end de VLSI foca principalmente em como o circuito lógico é implementado fisicamente. Ele inclui:
- Planejamento de Andar
- Posicionamento de célula padrão
- Projeto de rede elétrica
- Distribuição de Clock
- Roteamento
- Análise de tempo
- Análise de integridade de energia
- Verificação física
VLSI vs. CI, ASIC, FPGA e SoC
Alguns iniciantes confundem facilmente VLSI com outros termos relacionados.
Um CI é um circuito eletrônico fabricado em um substrato semicondutor. É um termo amplo que inclui tanto chips simples quanto altamente complexos. VLSI, em comparação, envolve métodos de engenharia sofisticados que são usados para criar CIs altamente complexos.
Por esta razão, todo chip VLSI é um CI, mas nem todo CI é necessariamente um chip VLSI.
Um chip com portas lógicas simples, por exemplo, é um CI, mas pode não ser considerado um dispositivo VLSI no sentido moderno. CPUs, GPUs, dispositivos de memória de alta densidade e SoCs também são CIs, mas normalmente são projetados utilizando tecnologia VLSI porque contêm um grande número de transistores e estruturas internas altamente complexas.
A principal diferença reside, portanto, na escala e complexidade da integração. CI é a categoria geral de produtos, enquanto VLSI descreve a tecnologia e a disciplina de design utilizada para criar chips altamente integrados.
Vários outros termos relacionados são comumente usados no projeto de chips:
- Circuito Integrado de Aplicação Específica
Um circuito integrado de aplicação específica, ou ASIC, é um CI projetado para um produto ou finalidade definidos. Um ASIC de rede, por exemplo, pode ser otimizado especificamente para processamento de pacotes.
Uma vez que um Circuito Integrado de Aplicação Específica (ASIC) é fabricado, sua estrutura de hardware é amplamente fixa. ASICs podem fornecer alto desempenho, baixo consumo de energia e baixo custo unitário em grandes volumes de produção. No entanto, seus custos de configuração de desenvolvimento e fabricação podem ser substanciais.
- Field-Programmable Gate Array
Um field-programmable gate array, ou FPGA, é um circuito integrado cujas funções lógicas e interconexões internas podem ser configuradas após a fabricação.
FPGAs são comumente utilizadas para prototipagem, produção de baixo volume e aplicações que podem exigir atualizações futuras de hardware. No entanto, sua flexibilidade vem com compensações.
Em comparação com um ASIC que executa a mesma função, uma implementação em FPGA geralmente requer maior área de chip, consome mais energia e pode operar em uma frequência máxima inferior.
- Sistema em um Chip
Um sistema em um chip, ou SoC, integra múltiplas funções de sistema em um único circuito integrado. O termo descreve como diferentes blocos funcionais são combinados dentro de um único chip, em vez de se referir a uma tecnologia de fabricação separada.
Um SoC (System on a Chip) pode incluir núcleos de processador, memória, aceleradores de hardware, controladores de comunicação, interfaces de periféricos e circuitos analógicos ou de sinal misto.
Considerações Finais
O VLSI possibilita a integração de funções complexas de processamento, memória e controle em um único chip. Entretanto, um chip só pode entregar valor quando é corretamente adquirido, integrado com outros componentes e montado em um produto eletrônico confiável.
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Perguntas Frequentes
R: Não. Muitas placas de alta corrente podem usar pesos de cobre padrão quando a largura da trilha, a área de cobre e o projeto térmico são devidamente otimizados.
Os planos de cobre são preferidos quando a corrente é distribuída por uma área maior ou quando é necessário um espalhamento de calor adicional.
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