VLSI Devre Tasarımı

VLSI DEVRE TASARIMI

VLSI Giriş

Çok Geniş Ölçekli Tümleşim (VLSI), binlerce transistorun tek bir yonga üzerinde birleştirilmesi ile Tümleşik Devrelerin oluşturulması işlemidir. Çok Geniş Ölçekli Tümleşim, 1970'li yıllarda karmaşık yarı iletken ve iletişim teknolojilerindeki gelişmelerle başlamıştır. Günümüz teknolojilerinde birim alana sığdırılabilen transistor sayısının milyarlar seviyesine çıkması ile bu terim yerini ULSI ifadesine bırakmaya başlamıştır. İlk yarı iletken teknolojideki yonga 2 transistorden oluşmaktadır. Zamanla gerçekleşen ilerlemeler sayesinde birim alana çok daha fazla transistor eklenebilmiş ve bunun sonucunda daha fazla sayıda bağımsız fonksiyonların ve sistemlerin tümleşimi gerçekleştirilmiştir. İlk tümleşik devreler diyot, transistor, direnç ve kondansatör gibi devre elemanlarından çok az bir kısmını içerebilmekte ve ancak bir veya birkaç mantık kapısının tek bir araçta toplanabilmesine imkân vermekteydi. Daha eskilerden bilinen küçük ölçekli tümleşim (SSI) ve gelişen teknik bu mantık kapısı sayısının bir tasarımda yüzlerce sayıya kadar toplanabilmesini sağlamıştır. İlerleyen iyileştirmeler neticesinde Geniş Ölçekli Tümleşim’ e yönelim gerçekleşmiş ve bunun neticesinde en az binler mertebesinde kapı bulunduran sistemler ortaya çıkmıştır. En son gelinen teknoloji çok daha ileri seviyede bulunmakta ve günümüz mikroişlemcileri milyonlarca kapı ve milyarlarca transistor içermektedir. Geçmişte, çok geniş ölçekli tümleşim 'den (VLSI) çok daha büyük tümleşimleri adlandırmak ve ayarlamak için çaba sarf edilmiş ve en geniş ölçekli tümleşim (ULSI) terimi kullanılmaya başlanmıştır. Fakat zamanla büyük oranlı kapılar ve transistörlerin ortak sistemlerde kullanılabilmesi bu ayrımı tartışmalı hale getirdi. Çok geniş ölçekli tümleşimden daha ileri seviyedeki tümleşimleri öneren bu terimler artık yaygın kullanımda değildir. Çok geniş ölçekli tümleşim terimi eski bile olsa hala mikroişlemciler için yaygın varsayım tüm mikroişlemcilerin çok geniş ölçekli tümleşim ve onun daha ileri düzeydeki tümleşimi olduğudur.

Elektronik Elemanlar

Elektronik, elektrik kullanarak bilgi işleyen, taşıyan veya depolayan elemanları ve sistemleri inceleyen bilim dalıdır. Özellikle serbest elektronların denetimini konu alır. Atom çekirdeğinin en dış yörüngesindeki elektronun atom çekirdeğine daha zayıf bir kuvvetle bağlı olmasından dolayı valans elektronun enerji seviyesinin arttırılması sonucu atom çekirdeğinden koparılması prensibidir.

Elektronik cihazların temel yapı taşlarında silisyum, germanyum ve galyum gibi yarıiletken malzemeler kullanılır. Bu maddeler aralarında mikro veya nano boşluklar bırakılarak elektronların bu elementler arasında kuantum sıçramaları yani elektronların yörünge değiştirmesi sağlanarak mantıksal işlemler yaptırılır. Bilgisayarın ve elektronik cihazların temel çalışma prensibi bu ilkeye dayanır. Elektronik devre elemanları bir hastanenin ameliyathanesinden bin kat daha temiz ortamlarda imal edilir. Bunun nedeni gözle görünmeyen bir toz zerreciğinin bile mikroçip içindeki elektron etkileşimine olumsuz etkisidir. Elektronik, kablo, motor, jeneratör, batarya, anahtar, röle, transformatör, direnç ve pasif elemanlar kullanarak enerji üretimi, dağıtımı, anahtarlaması, saklaması ve dönüşümü ile uğraşan elektrik ve elektromekanik bilim ve teknolojilerinden farklıdır. Bu farklılık 1906 yılı civarında Lee De Forest 'in zayıf radyo ve ses sinyallerinin kuvvetlendirilmesine yarayan ve mekanik bileşeni olmayan triyod' u bulması ile başlamıştır. 1950 yılına kadar bu alan radyo teknolojisi olarak anılmıştır. Çünkü temel uygulaması radyo iletimi, alımı ve vakum tüplerinin tasarımı ve teorisiydi.

Günümüzde birçok elektronik alet elektron kontrolü için yarı iletken elemanlar kullanmaktadır. Yarı iletken konusu katı hal fiziğinin bir dalıdır. Bu başlık elektronik devre tasarımındaki pratik problemlerin çözümü ile ilgilenen elektronik mühendisliğine odaklanmaktadır.

Sayısal Devreler

Sayısal elektronik devreler, elektronik devre üretim teknolojisinin gelişimine paralel olarak gelişmiş ve önceleri elektromekanik röleler, elektron tüpleri, ayrık transistorler ve yakın zamandan günümüze kadar da tümleşik devreler kullanılarak gerçekleştirilmişlerdir. Tümleşik devre teknolojisinin gelişmesiyle değişik özelliklerde lojik devreler ortaya çıkmıştır. 1920’ li yıllardan itibaren röleler ve kontaktörler mantık devrelerinde kullanılmaya başlanmıştır. Bunu elektronikte kısaca lamba olarak adlandırılan elektron tüpünün kullanılması takip etmiştir. 1950’ li yıllarda ayrık olarak direnç, diyot ve transistor kullanılan lojik devreler tümleşik devreler haline getirilmiştir. 1980’ li yıllarda ise programlanma özelliğine sahip sayısal elektronik işlemci ve denetleyici tümleşik devreleri kullanılmıştır.

Analog Devreler

Genel olarak analog aygıtlar birkaç tip temel devrenin kombinasyonundan imal edilir. Şimdiye kadar tasarlanan devrelerin sayısı çok fazladır. Sistemleri çok sayıda bileşenden oluşur. Analog devreler kimi zaman doğrusal devreler olarak anılsa da, doğrusal olmayan bileşenler de bulundururlar. Karıştırıcılar bu duruma örnek gösterilebilir.

Modern devreler nadiren tamamen analog olurlar. Performanslarını artırmak için dijital tekniklerden veya mikroişlemci tekniklerinden yararlanılabilir.