การบูรณาการวงจรรวมขนาดใหญ่มาก (VLSI)

การบูรณาการวงจรรวมขนาดใหญ่มาก หรือ VLSI (Very-large-scale integration) คือกระบวนการสร้างวงจรรวม (Integrated Circuit - IC) โดยการรวมทรานซิสเตอร์ชนิด MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) จำนวนหลายล้านหรือหลายพันล้านตัวลงบนชิปเซมิคอนดักเตอร์เพียงชิ้นเดียว เทคโนโลยีนี้เริ่มต้นขึ้นในช่วงทศวรรษ 1970 เมื่อชิปวงจรรวมแบบ MOS ได้รับการพัฒนาและนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ซึ่งส่งผลให้เกิดความก้าวหน้าอย่างก้าวกระโดดในด้านเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์และโทรคมนาคม โดยอุปกรณ์ที่เห็นได้ชัดเจนที่สุดของเทคโนโลยี VLSI คือไมโครโปรเซสเซอร์และชิปหน่วยความจำ

ประวัติและการพัฒนา

พื้นฐานก่อนยุค VLSI

ประวัติศาสตร์ของทรานซิสเตอร์เริ่มต้นขึ้นตั้งแต่ทศวรรษ 1920 แต่ความสำเร็จที่แท้จริงเกิดขึ้นหลังสงครามโลกครั้งที่สอง เมื่อมีการนำผลึกซิลิคอนและเยอรเมเนียมมาใช้เป็นตัวตรวจจับเรดาร์ นำไปสู่การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่ Bell Labs ในปี 1947 ซึ่งเปลี่ยนโฉมหน้าของวงจรอิเล็กทรอนิกส์จากหลอดสุญญากาศมาเป็นอุปกรณ์โซลิดสเตต (Solid-state devices)

ในช่วงทศวรรษ 1950 วิศวกรไฟฟ้าเริ่มสร้างวงจรที่ซับซ้อนขึ้น แต่ประสบปัญหาเรื่องขนาดของวงจรและความเร็ว เนื่องจากหากส่วนประกอบมีขนาดใหญ่ สายเชื่อมต่อจะยาวขึ้น ทำให้สัญญาณไฟฟ้าใช้เวลาเดินทางนานขึ้นและทำให้คอมพิวเตอร์ทำงานช้าลง

ปัญหาดังกล่าวถูกแก้ไขด้วยการประดิษฐ์วงจรรวม (Integrated Circuit) โดย Jack Kilby และ Robert Noyce ซึ่งสร้างส่วนประกอบทั้งหมดและชิปจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ก้อนเดียว (Monolith) ทำให้วงจรมีขนาดเล็กลงและสามารถผลิตได้ด้วยกระบวนการอัตโนมัติ นำไปสู่ยุคการบูรณาการขนาดเล็ก (Small-scale integration - SSI) ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 และการบูรณาการขนาดกลาง (Medium-scale integration - MSI) ในช่วงปลายทศวรรษ 1960

การก้าวเข้าสู่ยุค VLSI

ในปี 1964 General Micro-electronics ได้นำเสนอวงจรรวมแบบ MOS เชิงพาณิชย์ตัวแรก และในช่วงต้นทศวรรษ 1970 เทคโนโลยี MOS ช่วยให้สามารถรวมทรานซิสเตอร์มากกว่า 10,000 ตัวลงในชิปตัวเดียวได้ ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของ VLSI ในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 ที่มีการรวมทรานซิสเตอร์ตั้งแต่หลักหมื่น หลักแสน จนถึงหลักล้านและพันล้านตัวในปัจจุบัน

ลำดับการพัฒนาของการบูรณาการวงจรสามารถสรุปได้ดังนี้:

• SSI (Small-scale integration): รวมอุปกรณ์เพียงไม่กี่ตัว (เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์) สร้างเกตลอจิกได้เพียงหนึ่งหรือสองตัว
• MSI (Medium-scale integration): พัฒนาให้รวมเกตลอจิกได้หลายร้อยตัว
• LSI (Large-scale integration): ระบบที่มีเกตลอจิกอย่างน้อย 1,000 ตัว
• VLSI (Very-large-scale integration): ระบบที่มีทรานซิสเตอร์นับล้านถึงพันล้านตัว

ในอดีตเคยมีความพยายามที่จะใช้คำว่า ULSI (Ultra-large-scale integration) เพื่อเรียกการบูรณาการที่เหนือกว่า VLSI แต่ในปัจจุบันคำนี้ไม่เป็นที่นิยม เนื่องจากจำนวนทรานซิสเตอร์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมหาศาลในอุปกรณ์ทั่วไปทำให้การแบ่งแยกประเภทดังกล่าวไม่มีความจำเป็นอีกต่อไป

การออกแบบเชิงโครงสร้าง (Structured Design)

การออกแบบ VLSI เชิงโครงสร้างเป็นระเบียบวิธีแบบโมดูลาร์ที่ริเริ่มโดย Carver Mead และ Lynn Conway เพื่อลดพื้นที่ของไมโครชิปโดยการลดพื้นที่ของโครงข่ายการเชื่อมต่อ วิธีนี้ใช้การจัดวางบล็อกแมโครรูปสี่เหลี่ยมซ้ำๆ ซึ่งสามารถเชื่อมต่อกันได้ด้วยการวางชิดกัน (Abutment) เช่น การแบ่งเลย์เอาต์ของตัวบวก (Adder) ออกเป็นแถวของเซลล์บิตสไลซ์ (Bit slice cells) ที่มีขนาดเท่ากัน

แนวคิดนี้ได้รับความนิยมในช่วงต้นทศวรรษ 1980 แต่ต่อมาความนิยมลดลงเนื่องจากการเกิดขึ้นของเครื่องมือจัดวางและกำหนดเส้นทาง (Placement and Routing tools) ซึ่งแม้จะใช้พื้นที่ในการเดินสายมากกว่า แต่ก็ได้รับการยอมรับได้เนื่องจากความก้าวหน้าตามกฎของมัวร์ (Moore's Law) ที่ทำให้ขนาดทรานซิสเตอร์เล็กลงเรื่อยๆ

ความท้าทายในการพัฒนา

เมื่อไมโครโปรเซสเซอร์มีความซับซ้อนมากขึ้นจากการลดขนาดเทคโนโลยี นักออกแบบต้องเผชิญกับความท้าทายหลายประการ เช่น:

• ความผันแปรของกระบวนการ (Process Variation): เมื่อเทคนิคการพิมพ์หินด้วยแสง (Photolithography) เข้าใกล้ขีดจำกัดทางทัศนศาสตร์ การควบคุมความเข้มข้นของการโดป (Doping) และการกัดเส้นลวดให้มีความแม่นยำสูงจึงทำได้ยากขึ้นและเกิดข้อผิดพลาดได้ง่าย
• ความซับซ้อนในการออกแบบ: ปัจจุบันมีการใช้ระบบอัตโนมัติในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Design Automation - EDA) และการสังเคราะห์ลอจิกอัตโนมัติ เพื่อจัดการกับความซับซ้อนของทรานซิสเตอร์จำนวนมหาศาล อย่างไรก็ตาม บล็อกลอจิกประสิทธิภาพสูงบางส่วน เช่น เซลล์ SRAM (Static Random-Access Memory) ยังคงต้องออกแบบด้วยมือเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด