El Proyecto VLSI fue un programa de DARPA iniciado por Robert Kahn en 1978 [1] que proporcionó fondos de investigación a una amplia variedad de equipos universitarios en un esfuerzo por mejorar el estado del arte en el diseño de microprocesadores , entonces conocido como Integración a Muy Gran Escala (VLSI).
El Proyecto VLSI es uno de los proyectos de investigación más influyentes en la historia de la informática moderna. Entre sus descendientes se encuentran Berkeley Software Distribution (BSD) Unix , el concepto de procesador de conjunto de instrucciones reducido (RISC), muchas herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD) que todavía se utilizan en la actualidad, estaciones de trabajo gráficas de 32 bits , casas de diseño y fabricación sin fábrica y su propia planta de fabricación de semiconductores (fab), MOSIS , que comenzó en 1981. [2] Un proyecto similar de DARPA en asociación con la industria, VHSIC, tuvo poco o ningún impacto.
El Proyecto VLSI fue fundamental para promover la revolución de Mead y Conway en toda la industria.
En 1975, Carver Mead , Tom Everhart e Ivan Sutherland, de Caltech, escribieron un informe para ARPA sobre el tema de la microelectrónica. En los años anteriores, Mead había acuñado el término " ley de Moore " para describir la predicción de 1965 de Gordon Moore sobre la tasa de crecimiento de la complejidad, y en 1974, Robert Dennard, de IBM, señaló que la reducción de escala que formaba la base de la ley de Moore también afectaba al rendimiento de los sistemas. Estos efectos combinados implicaban que estaba a punto de desatarse en la industria un aumento masivo de la potencia informática. [3] El informe, publicado en 1976, sugería que ARPA financiara el desarrollo en varios campos para abordar la complejidad que estaba a punto de aparecer debido a estos "circuitos integrados de escala muy grande". [4]
Más tarde ese año, Sutherland escribió una carta a su hermano Bert, que 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 anteriormente en IBM en un proyecto de supercomputadora conocido como ACS-1 . Después de considerar las notas de Mead, Conway se dio cuenta de que el rápido escalamiento de CMOS que se predecía le permitiría superar los sistemas ECL, por lo demás más rápidos , utilizados en sistemas más grandes a medida que los tamaños de las características se reducían y las predicciones de velocidad de Dennard entraban en vigor. 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 ese momento, el diseño de microprocesadores se estancó 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 contemplar. Mead y Conway pensaron que no había ningún problema teórico que impidiera el progreso, simplemente una serie de problemas prácticos, y se dispusieron a resolverlos para hacer posibles diseños mucho más complejos. En pocas palabras, la solución fue simplificar todo, inventando nuevas reglas prácticas para los diseñadores y aplicando computadoras a los problemas que eran más grandes. [5] Este proceso fue ayudado por la reciente introducción de la lógica NMOS de modo de agotamiento , que simplificó enormemente el modelo conceptual de los elementos activos. [6]
A mediados de los años 70 se produjo un período de rápidos cambios, ya que se introducían nuevos procesos en diferentes empresas a un ritmo acelerado. Cada nuevo proceso daba lugar a 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 de este tipo 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. Estas no ofrecerían el mayor rendimiento posible para un sistema determinado, pero su idea 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 muchas veces el beneficio de rendimiento que ofrecería el uso de todos los trucos publicados de las reglas existentes. [6]
Partiendo de tres marcadores 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 actuales. Un desarrollo posterior condujo a la comprensión de que todas las dimensiones podían expresarse como múltiplos de un tamaño de característica mínimo fundamental 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 tiene que tener dos λ de ancho", "dos líneas en la misma capa deben estar separadas por al menos tres λ", "líneas en diferentes capas deben estar separadas por una λ", etc. El resultado final fue un breve conjunto de reglas de diseño que se aplicaban a cualquier escala. Conway señaló más tarde: "Recuerdo vívidamente haber visto a Mead con la mandíbula abierta esa mañana de primavera de 1977 mientras presentaba mi estrategia para reglas basadas en λ en mi pizarra en PARC". [7]
Uno de los principales esfuerzos de VLSI fue la creación del hardware y el software necesarios para automatizar el proceso de diseño, que en ese momento todavía era en gran parte manual. Para un diseño que contenía cientos de miles de transistores, simplemente no había ninguna máquina, salvo una supercomputadora , que tuviera la memoria y el rendimiento necesarios para trabajar en el diseño en su conjunto.
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 a nivel de escritorio. El primero evolucionó hacia un esfuerzo por diseñar una estación de trabajo CAD en red, conocida como Stanford University Network . Esta es más conocida hoy por su acrónimo , "SUN", como en el caso de Sun Microsystems , que comercializó el diseño.
Para proporcionar una plataforma de software común para ejecutar estas nuevas herramientas, VLSI también financió un proyecto de Berkeley para proporcionar una implementación estandarizada de Unix , conocida hoy como Berkeley Software Distribution (BSD). Casi todas las primeras estaciones de trabajo usaban BSD, incluidos los diseños que evolucionaron hasta convertirse en Sun, SGI , Apollo Computer y otros. BSD generó más tarde varios descendientes: OpenBSD , FreeBSD , NetBSD y DragonFlyBSD .
El software CAD fue una parte importante del esfuerzo de VLSI. Esto condujo a mejoras importantes en la tecnología CAD para el diseño, 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. Las ideas se desarrollaron en implementaciones comerciales por parte de empresas como VLSI Technology , Cadnetix y Synopsis.
Con estas herramientas en la mano, otros proyectos financiados por VLSI pudieron hacer grandes avances en la complejidad del diseño, lo que desencadenó la revolución RISC. Los dos proyectos principales relacionados con VLSI fueron Berkeley RISC y Stanford MIPS , que dependían en gran medida de las herramientas desarrolladas en proyectos VLSI anteriores. Para permitir que los equipos de diseño produjeran ejemplos de prueba, el proyecto también financió la construcción de su propia instalación de fabricación, MOSIS ( Metal Oxide Semiconductor Implementation Service ), que recibía los planos electrónicamente. MOSIS sigue en funcionamiento en la actualidad.
Otra parte importante del proceso de fabricación de MOSIS fue el desarrollo de la oblea multichip , que permitió utilizar una única oblea de silicio para producir varios diseños de chips al mismo tiempo. Anteriormente, normalmente se utilizaba una oblea para producir un único diseño, lo que significaba que había una tirada de producción mínima definida que se podía considerar iniciar. En cambio, con la oblea multichip se podía producir un lote pequeño de un diseño de chip en medio de una tirada más grande, lo que reducía drásticamente el coste inicial y la etapa de creación de prototipos.
El programa VLSI de DARPA se basó en estos primeros esfuerzos. El programa DARPA, iniciado formalmente por Robert Kahn en 1978, surgió de un estudio que encargó a RAND Corporation en 1976 para evaluar el alcance de la investigación que DARPA podría respaldar en VLSI (Sutherland, 1976).
MOSIS fue iniciado en 1981 por la Agencia del Programa de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU.