超大規模集積

超大規模集積回路（VLSI ）とは、数百万個または数十億個のMOSトランジスタを単一のチップ上に集積して集積回路（IC）を製造するプロセスです。VLSIは、1970年代にMOS集積回路（金属酸化膜半導体）チップが開発され、広く普及したことから始まり、複雑な半導体技術や通信技術を可能にしました。マイクロプロセッサやメモリチップはVLSIデバイスです。

VLSI技術が導入される以前は、ほとんどのICは限られた機能しか実行できませんでした。電子回路は、 CPU、ROM、RAM、その他のロジック回路などで構成されていました。VLSIによって、IC設計者はこれらすべてを1つのチップに統合することが可能になりました。

構造化VLSI設計は、相互接続ファブリック面積を最小化することでマイクロチップ面積を節約するために、カーバー・ミードとリン・コンウェイによって考案されたモジュール式の設計手法です。これは、アバットメント配線を使用して相互接続できる長方形のマクロブロックを繰り返し配置することによって実現されます。例としては、加算器のレイアウトを等しいビットのスライスセルの列に分割することが挙げられます。複雑な設計では、この構造化は階層的なネストによって実現される場合があります。^{[ 8 ]}

構造化VLSI設計は1980年代初頭に人気がありましたが、ムーアの法則の進歩により許容されるようになった配線によって多くの面積が無駄になる配置配線ツールの登場により、その後人気を失いました。1970年代半ばにハードウェア記述言語KARLを導入した際、ライナー・ハーテンシュタインは「構造化VLSI設計」（当初は「構造化LSI設計」）という用語を作り出し、エドガー・ダイクストラの構造化プログラミング手法である、手続きのネストによって混沌としたスパゲッティ構造のプログラムを回避するアプローチを反映しました。

技術のスケーリング（ムーアの法則を参照）によりマイクロプロセッサが複雑化するにつれ、マイクロプロセッサの設計者は、設計段階を超えて考え、ポストシリコン時代を見据えることを余儀なくされるいくつかの課題に直面している。

• プロセス変動–フォトリソグラフィ技術が光学の基本法則に近づくにつれて、ドーピング濃度やエッチングされた配線の高精度を実現することが難しくなり、変動によるエラーが発生しやすくなっています。設計者は現在、チップが生産準備完了と認定される前に、複数の製造プロセスコーナーにわたってシミュレーションを行うか、変動の影響に対処するためのシステムレベルの技術を使用する必要があります。^{[ 9 ] [ 10 ]}
• より厳格な設計ルール– スケーリングに関するリソグラフィおよびエッチングの問題により、レイアウトの設計ルールチェックはますます厳しくなっています。設計者は、カスタム回路をレイアウトする際に、ますます増え続けるルールのリストを念頭に置く必要があります。カスタム設計のオーバーヘッドは現在、転換点に達しており、多くの設計会社が設計プロセスを自動化するために電子設計自動化（EDA）ツールに切り替えることを選択しています。^{[ 11 ]}
• タイミング/設計の締め切り–クロック周波数が上昇するにつれて、設計者は、チップ全体にわたってこれらの高周波クロック間のクロックスキューを低く分散および維持することがより困難になっていることに気づいています。このため、マルチコアおよびマルチプロセッサアーキテクチャへの関心が高まっています。これは、すべてのコアの計算能力を使用することで、より低いクロック周波数でも全体的な高速化（アムダールの法則を参照）が得られるためです。^{[ 12 ]}
• 初回成功–ダイサイズが縮小し（スケーリングのため）、ウェーハサイズが大きくなる（製造コストの低下のため）と、ウェーハあたりのダイ数が増加し、適切なフォトマスクを作成する複雑さが急速に高まります。最新のテクノロジー用のマスクセットは、数百万ドルかかる場合があります。この非反復的な費用は、シリコンのエラーを見つけるために複数の「スピンサイクル」を伴う従来の反復的な哲学を阻害し、初回シリコン成功を促進します。この新しい設計フローを支援するために、製造のための設計（DFM）、テストのための設計（DFT）、およびXのための設計など、いくつかの設計哲学が開発されています。^{[ 13 ]}
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• Baker, R. Jacob (2010). CMOS: 回路設計、レイアウト、シミュレーション、第3版. Wiley-IEEE. p.  1174. ISBN 978-0-470-88132-3。
• Chen, Wai-Kai (2007). VLSIハンドブック. フロリダ州ボカラトン: CRC/Taylor & Francis. ISBN 978-1-4200-0596-7. OCLC 83977431 . 
• ミード、カーバー A. ;コンウェイ、リン(1980). VLSI システム入門. ボストン: アディソン・ウェスリー. ISBN 0-201-04358-0。
• Weste, Neil HE & Harris, David M. (2010). CMOS VLSI設計：回路とシステムの視点、第4版。ボストン：Pearson/Addison-Wesley。p.  840。ISBN 978-0-321-54774-3。

• ブラウン大学におけるVLSIシステムの設計と実装に関する講義（ 2015年6月26日、 Wayback Machineにアーカイブ済み）
• VLSIシステムの設計