Proyecto VLSI

En 1975, Carver Mead , Tom Everhart e Ivan Sutherland del Caltech redactaron un informe para ARPA sobre microelectrónica. En los años previos, Mead había acuñado el término « ley de Moore » para describir la predicción de Gordon Moore de 1965 sobre la tasa de crecimiento de la complejidad, y en 1974, Robert Dennard de IBM señaló que la reducción de escala que constituía la base de la ley de Moore también afectaba al rendimiento de los sistemas. Estos efectos combinados implicaban que un aumento masivo de la capacidad de cálculo estaba a punto de desatarse en la industria. ^{[ 3 ]} El informe, publicado en 1976, sugería que ARPA financiara el desarrollo en diversos campos para abordar la complejidad que estaba a punto de surgir debido a estos «circuitos integrados a muy gran escala». ^{[ 4 ]}

Más tarde ese mismo año, Sutherland escribió una carta a su hermano Bert, quien en ese momento trabajaba en Xerox PARC . Sugirió un esfuerzo conjunto entre PARC y Caltech para comenzar a estudiar estos temas. Bert aceptó formar un equipo e invitó a Lynn Conway y Doug Fairbairn a unirse. Conway había trabajado previamente en IBM en un proyecto de supercomputadora conocido como ACS-1 . Tras considerar las notas de Mead, Conway se dio cuenta de que la rápida miniaturización de CMOS que se preveía le permitiría superar a los sistemas ECL, que de otro modo serían más rápidos , utilizados en sistemas más grandes, a medida que el tamaño de las características se redujera y las predicciones de velocidad de Dennard se hicieran realidad. Esto también implicaba que todo el mainframe ACS-1 algún día cabría en un solo chip. ^{[ 4 ]} En 1976, Sutherland y Mead escribieron un artículo en Scientific American sobre los desafíos que presentaba la nueva complejidad. ^{[ 5 ]}

En aquel momento, el diseño de microprocesadores se había estancado en el nivel de 100 000 transistores porque las herramientas disponibles para los diseñadores simplemente no podían manejar diseños más complejos. Los diseños de 16 bits y 16/32 bits estaban llegando al mercado, pero más allá de eso parecía demasiado difícil y costoso de considerar. Mead y Conway consideraron que no había ningún problema teórico que impidiera el progreso, sino simplemente una serie de problemas prácticos, y se propusieron resolverlos para hacer posibles diseños mucho más complejos. En pocas palabras, la solución fue simplificarlo todo, inventando nuevas reglas prácticas para los diseñadores y aplicando computadoras a los problemas más complejos. ^{[ 5 ]} Este proceso se vio facilitado por la reciente introducción de la lógica NMOS de modo de agotamiento , que simplificó enormemente el modelo conceptual de los elementos activos. ^{[ 6 ]}

Mediados de la década de 1970 fue un período de rápidos cambios, ya que se introdujeron nuevos procesos en diferentes empresas a un ritmo vertiginoso. Cada nuevo proceso conllevaba un conjunto de reglas de diseño que a menudo ocupaban 40 páginas. Estas incluían detalles como "no colocar líneas paralelas en la capa de metalización (MET) que estén a menos de 2 micrómetros de distancia". Se desarrollaron docenas de reglas similares para cada capa con el fin de obtener el máximo rendimiento. A principios de 1977, Conway comenzó a desarrollar un nuevo conjunto de reglas completamente genéricas. Si bien estas no ofrecerían el máximo rendimiento posible para ningún sistema dado, su concepto era que reducirían tanto el tiempo de diseño que podrían adaptarse a una nueva tecnología de fabricación subyacente con pocos o ningún cambio, y tal medida ofrecería un beneficio de rendimiento muchas veces superior al que se obtendría utilizando todos los trucos publicados de las reglas existentes. ^{[ 6 ]}

Partiendo de tres rotuladores de pizarra de colores que representaban cada uno de los tipos de capas (MET, POLY, DIFF), Conway desarrolló un conjunto de reglas de diseño que funcionaban en todos los procesos existentes. Un desarrollo posterior llevó a la comprensión de que todas las dimensiones podían expresarse como múltiplos de un tamaño mínimo fundamental de característica posible utilizando ese proceso, que se conoció como λ (la letra griega lambda). λ se estableció como la mitad del ancho mínimo de una línea de POLY o DIFF, y las reglas se expresaron en esos términos: "una línea debe tener dos λ de ancho", "dos líneas en la misma capa deben estar separadas por al menos tres λ", "las líneas en capas diferentes deben estar separadas por una λ", y así sucesivamente. El resultado final fue un conjunto breve de reglas de diseño que se aplicaban a cualquier escala. Conway comentó más tarde: "Recuerdo vívidamente ver la mandíbula de Mead caer aquella mañana de primavera de 1977 cuando presenté mi estrategia de reglas basadas en λ en mi pizarra en PARC". ^{[ 7 ]}

Uno de los principales objetivos de la tecnología VLSI fue la creación del hardware y el software necesarios para automatizar el proceso de diseño, que en aquel entonces seguía siendo en gran medida manual. Para un diseño que contenía cientos de miles de transistores, simplemente no existía ninguna máquina, salvo una supercomputadora , que tuviera la memoria y el rendimiento necesarios para procesar el diseño en su totalidad.

Para abordar este problema y permitir así que las empresas "promedio" utilizaran herramientas automatizadas, VLSI financió los proyectos Geometry Engine y Pixel-Planes en la Universidad de Stanford y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill (respectivamente) para crear hardware gráfico adecuado para ordenadores de sobremesa. El primero evolucionó hasta convertirse en un proyecto para diseñar una estación de trabajo CAD en red, conocida como la Red de la Universidad de Stanford . Hoy en día, esta red es más conocida por sus siglas , "SUN", de Sun Microsystems , la empresa que comercializó el diseño.

Para proporcionar una plataforma de software común para ejecutar estas nuevas herramientas, VLSI también financió un proyecto de Berkeley para ofrecer una implementación estandarizada de Unix , conocida hoy como Berkeley Software Distribution (BSD). Casi todas las primeras estaciones de trabajo utilizaban BSD, incluyendo diseños que evolucionaron hasta convertirse en Sun, SGI , Apollo Computer y otros. Posteriormente, BSD dio origen a varios descendientes: OpenBSD , FreeBSD , NetBSD y DragonFlyBSD .

El software CAD fue fundamental para el desarrollo de VLSI. Esto propició importantes mejoras en la tecnología CAD para el diseño de circuitos integrados, la verificación de reglas de diseño y la simulación. Las herramientas desarrolladas en este programa se utilizaron ampliamente tanto en programas de investigación académica como en la industria. Empresas como VLSI Technology , Cadnetix y Synopsis desarrollaron estas ideas en implementaciones comerciales.

Con estas herramientas, otros proyectos financiados por VLSI lograron grandes avances en la complejidad del diseño, impulsando la revolución RISC. Los dos principales proyectos relacionados con VLSI fueron Berkeley RISC y Stanford MIPS , ambos basados ​​en gran medida en las herramientas desarrolladas en proyectos VLSI anteriores. Para que los equipos de diseño pudieran producir ejemplos de prueba, el proyecto también financió la construcción de su propia planta de fabricación, MOSIS ( Metal Oxide Semiconductor Implementation Service ), que recibía los planos electrónicamente. MOSIS sigue en funcionamiento hoy en día.

Otra parte importante del proceso de fabricación de MOSIS fue el desarrollo de la oblea multichip , que permitió utilizar una sola oblea de silicio para producir varios diseños de chips simultáneamente. Anteriormente, una oblea se utilizaba normalmente para producir un solo diseño, lo que implicaba una producción mínima definida. En cambio, con la oblea multichip, se podía producir un pequeño lote de un diseño de chip en medio de una producción mayor, lo que redujo drásticamente el coste inicial y la fase de creación de prototipos.

• Conway, Lynn (otoño de 2012). "Reminiscencias de la revolución VLSI" (PDF) . Revista IEEE Solid-State Circuits . 4 (44): 8– 31. doi : 10.1109/MSSC.2012.2215752 . S2CID 9286356 .