一种将大量晶体管组合到单一芯片的集成电路

超大规模集成电路（Very Large Scale Integration Circuit，VLSI）是一种将大量晶体管组合到单一芯片的集成电路，其集成度大于大规模集成电路。集成的晶体管数在不同的标准中有所不同。从1970年代开始，随着复杂的半导体以及通信技术的发展，集成电路的研究、发展也逐步展开。计算机里的控制核心微处理器就是超大规模集成电路的最典型实例，超大规模集成电路设计（VLSI design），尤其是数字集成电路，通常采用电子设计自动化的方式进行，已经成为计算机工程的重要分支之一。

超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits：VLSI)

在一块芯片上集成的元件数超过10万个，或门电路数超过万门的集成电路，称为超大规模集成电路。超大规模集成电路是20世纪70年代后期研制成功的，主要用于制造存储器和微处理机。64k位随机存取存储器是第一代超大规模集成电路，大约包含15万个元件，线宽为3微米。

超大规模集成电路的集成度已达到600万个晶体管，线宽达到0.3微米。用超大规模集成电路制造的电子设备，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。利用超大规模集成电路技术可以将一个电子分系统乃至整个电子系统“集成”在一块芯片上，完成信息采集、处理、存储等多种功能。例如，可以将整个386微处理机电路集成在一块芯片上，集成度达250万个晶体管。超大规模集成电路研制成功，是微电子技术的一次飞跃，大大推动了电子技术的进步，从而带动了军事技术和民用技术的发展。超大规模集成电路已成为衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志，也是世界主要工业国家，特别是美国和日本竞争最激烈的一个领域。

发展现状

数十亿级别的晶体管处理器已经得到商用。随着半导体制造工艺从32纳米水平跃升到下一步22纳米，这种集成电路会更加普遍，尽管会遇到诸如工艺角偏差之类的挑战。值得注意的例子是英伟达的GeForce 700系列的首款显示核心，代号‘GK110’的图形处理器，采用了全部71亿个晶体管来处理数字逻辑。而Itanium的大多数晶体管是用来构成其3千两百万字节的三级缓存。Intel Core i7处理器的芯片集成度达到了14亿个晶体管。所采用的设计与早期不同的是它广泛应用电子设计自动化工具，设计人员可以把大部分精力放在电路逻辑功能的硬件描述语言表达形式，而功能验证、逻辑仿真、逻辑综合、布局、布线、版图等可以由计算机辅助完成。

不足

由于技术规模不断扩大，微处理器的复杂程度也不断提高，微处理器的设计者已经遇到了若干挑战。

功耗、散热：随着元件集成规模的提升，单位体积产生的热功率也逐渐变大，然而器件散热面积不变，造成单位面积的热耗散达不到要求。同时，单个晶体管微弱亚阈值电流造成的静态功耗由于晶体管数量的大幅增加而变得日益显著。人们提出了一些低功耗设计技术，例如动态电压/频率调节（dynamic voltage and frequency scaling (DVFS)），来降低耗散总功率。

工艺偏差：由于光刻技术受限于光学规律，更高精确度的掺杂以及刻蚀会变得更加困难，造成误差的可能性会变大。设计者必须在芯片制造前进行技术仿真。

更严格的设计规律：由于光刻和刻蚀工艺的问题，集成电路布局的设计规则必须更加严格。在设计布局时，设计者必须时刻考虑这些规则。定制设计的总开销已经达到了一个临界点，许多设计机构都倾向于始于电子设计自动化来实现自动设计。

设计收敛：由于数字电子应用的时钟频率趋于上升，设计者发现要在整个芯片上保持低时钟偏移更加困难。这引发了对于多核心、多处理器架构的兴趣（参见阿姆达尔定律）。

成本：随着晶粒尺寸的缩小，晶圆尺寸变大，单位晶圆面积上的晶粒数增加，这样制造工艺所用到的光掩模的复杂程度就急剧上升。现代高精度的光掩模技术十分昂贵。