Großintegration
Englisch: very-large-scale
Ein Schaltkreis mit Hunderttausenden von Transistoren auf einem einzelnen integrierten Baustein.
VLSI: Hunderttausende Transistoren auf einem Chip
Very-large-scale integration, kurz VLSI, bezeichnet integrierte Schaltkreise mit Transistorzahlen von etwa 100.000 bis zu mehreren Millionen. Diese Integrationsdichte setzte sich in den 1980er Jahren durch, als die Fertigungsprozesse unter 1 Mikrometer schrumpften und es möglich wurde, ganze Systeme auf Silizium-Dies von nur wenigen Millimetern Größe unterzubringen. Ein VLSI-Chip kann einen kompletten Mikroprozessor, einen Speicherkontroller und Peripherie-Schnittstellen enthalten, die früher eine komplette Leiterplatte benötigt hätten.
Der Begriff ordnet sich in eine Folge von Integrationsstufen ein, die mit der kleinen Integrationsdichte (SSI) mit Dutzenden von Transistoren begann, gefolgt von mittlerer (MSI), großer (LSI) und VLSI selbst. Über VLSI kommt die Ultra-Large-Scale Integration (ULSI), ein lockerer Begriff für moderne Prozessoren mit Millionen oder Milliarden Transistoren. Die Grenzen zwischen diesen Kategorien waren schon immer etwas willkürlich, definiert eher durch die Fertigungsfähigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt als durch starre Vorgaben.
Design- und Fertigungsherausforderungen
VLSI-Design erfordert rechnergestützte Werkzeuge für Layout, Simulation und Verifikation, die für frühere Integrationsstufen einfach nicht verfügbar waren. Ein Designer kann nicht manuell Hunderttausende von Verbindungen verlegen; automatisierte Place-and-Route-Algorithmen wurden unverzichtbar. Die Wärmeerzeugung wird bei VLSI-Dichten zu einem Hauptproblem, da das Schalten von Transistoren Wärme erzeugt, die durch sorgfältige Flächenplanung und manchmal mehrere Metallschichten zur Stromverteilung bewältigt werden muss.
Die Fertigungsausbeute sinkt dramatisch mit zunehmender Transistordichte. Ein einzelnes Staubkörnchen oder eine Fertigungsvariante kann den gesamten Die zerstören. VLSI-Produktion erfordert daher Reinräume mit Partikelkonzentrationen unter 100 pro Kubikfuß und strikte Kontrolle von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und chemischer Reinheit während Fotolithografie und Ätzen. Fehlerraten, die bei niedrigeren Integrationsstufen akzeptabel wären, können einen VLSI-Prozess wirtschaftlich unrentabel machen.
VLSI ermöglichte die Mikrocomputer-Revolution und bleibt das Fundament der modernen Elektronik. Verbrauchergeräte wie Smartphones, Gaming-Prozessoren und Automobil-Controller hängen alle von VLSI-Technologie ab. Der Begriff selbst ist in der Fachliteratur etwas veraltet und wurde durch spezifischere Prozessknoten-Bezeichnungen (45 nm, 28 nm usw.) abgelöst, aber er bleibt eine nützliche Kurzform für jedes Ein-Chip-System mit erheblicher Komplexität.