专用集成电路概念与设计流程

嵌入式型微处理器
– 嵌入式CPU的基础是通用型CPU，本质上与 通用CPU的区别不大，只是在各种不同的应 用中仅保留与具体应用有关的功能，去除冗 余的功能。
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通用型微处理器
• 高垄断：整个行业的PC市场基本被Intel、AMD两家所控 制，Sun、IBM等少数公司只能分享工作站与服务器领域 的一部分市场。 • 高技术：通用CPU强烈追求功能的强大和频率的提高， 对 最先进的IC工艺需求十分迫切，高端CPU已进入45 nm工 艺制程。继续缩小加工尺寸将遇到漏电流增大及互连线延 时问题，因而转向通过改变体系框架发展多核CPU来达到 目标。 • 高利润：以Intel处理器为例，其产品享受着30~40%的高 额利润，而像戴尔这样的计算机公司，却只有5％的利润。 • 高风险：高技术意味着新的企业如果想进入这个行业，必 然承受高风险这个代价。
Spectre Virtuoso Hspice
版图验证 Diva 及参数提取 Dracula
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Calibre
Laker
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数字IC设计流程
前端设计
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后端设计
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数字集成电路设计常用工具
公司 逻辑仿真 逻辑综合 布局布线 SE Encounter Pearl Cadence NC-Sim
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2.存储器（Memory）
• • •
• • 主要包括DRAM和Flash（闪存）两大类产品。 最为体现半导体先进制程和经营规模效应的产品。 是一种最通用的商品，价格对供求变化的敏感性非 常高，波动幅度极大。 资金需求大、工艺技术要求先进，产业变动起伏， 不易控制。 市场特点决定需要很大规模的制造和量产能力， 是半导体产业中最不稳定的市场，是制造商和投资 者眼中的高风险业务。存储器制造厂商经营压力沉 重，但效益也是半导体产业中最高的。
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嵌入式CPU
• 嵌入式CPU主要用于消费类家电、汽车电 子、工业设备等，是一个应用高度分散， 不断创新的产业。 • 与通用CPU领域的“独大”局面不同，嵌用x86或PowerPC两 类核心架构相比，嵌入式CPU常见的核心 架构还包括MIPS、ARM、SuperH等。
Synopsys
VCS Designcompiler Astro
Mentor Spring Graphics Soft Modelsim
Laker
时序验证 可测性设计
DFTCompiler
TetraMAX
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五、ASIC设计关注的主要数据
• • • • • • • • • 元件数/芯片– 1000万晶体管/Die, 100门/Die 芯片面积(mm2) – 1-100mm2 硅片直径(mm) –20mm ( 8英寸)/wafer 特征线宽(μm) – 0.18μm, 90nm /CD 工作电压(V) – 3.3V,1.8V, 1.2V, 0.8V 功耗（mW）– 16mW, 1.3mW, 6.5mW 速度（MHz） – 高速电路(数字), 时钟800 MHz 频率（GHz） – 射频电路(模拟), 2.4 GHz, 6GHz 速度功耗乘积(μJ) -- 1pJ/单位量化电平
模拟电路产品特点
• 品种多、生命周期长、技术含量高、辅助设计工 具少、测试周期长。 • 数字IC强调运算速度与成本，模拟IC强调高信噪 比、低失真、低功耗和稳定性。 • 主要的工艺有CMOS，BiCMOS和BCD工艺，在 高频领域还有SiGe和GaAs工艺。 • 模拟电路市场增长稳定，波动小，企业一般拥有 持续获利的前景。 • TI、ST、NXP、Infineon和 ADI 一直占据着全球 五大供应商位置。
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二、专用集成电路及其发展趋势
• 新电路的设计与实现 • 对已有电路或系统的集成改造
– 体积缩小 – 重量减轻 – 性能提高 – 成本降低 – 保密性增强
• ASIC的进一步发展，以及IP核的复用技术， 促成了SoC (System on a Chip) 的问世以及 SiP (System in a package) 概念的提出。
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Athena
Atlas Structure Editor Device
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图形界面 操作简单易学 提供模型参数 数据库和小尺 寸模型
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Sentaurus Process
Synopsys
模拟IC设计流程
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模拟集成电路设计常用工具
公司
电路图 仿真 版图绘制
Cadence Synopsys Mentor Spring Graphics Soft
• ASIC制造常用工艺（um）
– 标准CMOS工艺（0.5，0.35，0.25，0.18，0.13）
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四、ASIC设计流程
• • • • 特殊器件的设计流程 (Device 工艺) 模拟电路设计流程 (Analog 工艺) 数字电路设计流程（Logic 工艺） 数/模混合电路设计流程 (Mixed-signal 工艺)
– – – – – – – – – 电源系列（AC/DC, DC/DC, LDO ） 运算放大器（OPA） 比较器（Comparator） 数据转换接口（ADC, DAC） 高速串并转换接口 功放（PA） 模拟滤波器（Filter） 模拟开关（Switch） 驱动IC（Driver）
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1.2 微控制器（MCU）
MCU是各种自动控制系统的核心，
• 是最早的SoC，它将CPU、RAM、ROM、 定时器、I/O接口和外围电路整合在单一芯 片上，形成系统级芯片。 • 对系统的显示器、键盘、传感器等外围进 行控制。 • 市场的产品生命周期很长（汽车中3到10年， 家电中5年）。运用的软件及操作系统也不 太会更换，这些都有别于MPU市场。
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4、8、16、32位元MCU市场出货量
数据来源：In-Stat，2006
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1.3 数字信号处理器（DSP）
• 与微处理器分类一样，DSP也分为通用DSP 与嵌入式DSP两类。 • 通用DSP的主要市场在于通信应用。 • 嵌入式DSP则应用广泛，包括DVD播放机、 机顶盒、音视频接收设备、MP3播放器、数 码相机和汽车电子等。
pdp浙大微电子2050高压输出高低压转换移位锁存浙大微电子2150浙大微电子2250浙大微电子2350浙大微电子2450浙大微电子2550浙大微电子2650浙大微电子2750浙大微电子2850浙大微电子2950三常用半导体制造工艺数字ic电路cmos工艺数模混合信号ic电路cmosbicmos工艺电源相关功率ic电路bcd工艺标准cmos工艺05035025018013浙大微电子3050四asic设计流程特殊器件的设计流程device工艺模拟电路设计流程analog工艺数字电路设计流程logic工艺数模混合电路设计流程mixedsignal工艺浙大微电子3150特殊工艺器件的设计流程浙大微电子3250常用的tcad软件工具所属公司工艺仿真器件仿真特点synopsystsuprem4medici国内业界广泛使用ise瑞士被synopsys公司收购diosmdraw器件生成dessis器件仿真国外业界广泛使用silvacoathenaatlas图形界面操作简单易学sentaurussynopsysprocessstructureeditordevice提供模型参数数据库和小尺寸模型浙大微电子3350ic浙大微电子3450公司cadencesynopsysmentorgraphicsspringsoft电路图仿真spectrehspice版图绘制virtuoso版图验证及参数提取divadraculacalibrelaker浙大微电子3550前端设计数字ic设计流程浙大微电子3650浙大微电子3750公司cadencesynopsysmentorgraphicsspringsoft逻辑仿真ncsimvcsmodelsim逻辑综合designcompiler布局布线seencounterastrolaker时序验证pearl可测性设计dftcompilertetramax浙大微电子3850五asic设计关注的主要数据1000万晶体管die100门die硅片直径mm20mm018m90nmcd33v18v12v08v功耗mw16mw13mw65mw高速电路数字时钟800mhzghz射频电路模拟24ghz6ghz1pj单位量化电平浙大微电子3950关于性能速度功耗积在asic设计的每一步都有对产品速度功耗进行决择控制的能力速度功耗是一对矛盾浙大微电子4050器件结构电路形式对速度功耗的影响双极型器件速度快但功耗大
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1.2 Flash(闪存)
是一种非易失（非挥发）性存储器，用于
– 数码相机 – MP3 – 移动电话 – 移动多媒体等
目前已采用45纳米工艺制程，其基本存储单 元为叠栅型CMOS结构。
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3.逻辑电路
• 逻辑电路扮演着IC中第一大门类的角色。 • 提供数据通信、信号处理、数据显示、电路接口、 定时和控制操作以及系统运行所需要的其它功能 • 逻辑电路主要包括
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关于性能 --速度功耗积
• 衡量超大规模IC产品设计水平的重要标志 • 在ASIC设计的每一步, 都有对产品速度、功耗进行 决择、控制的能力(速度、功耗是一对矛盾)
– 在系统设计级：算法的确定非常重要, 并行算法速度快但 功耗大；串行算法则反之。
– 在逻辑设计级：是否采用诸如超前进位链之类的附加电 路，对芯片速度的影响也非常明显 – 在电路设计级 – 在器件设计级
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特殊工艺器件的设计流程
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常用的TCAD软件工具
所属公司 工艺仿真 器件仿真 Tsuprem4 Medici 特点
国内业界广泛 使用
Synopsys ISE(瑞士) DIOS 被Synopsys 公司收购 SILVACO
MDRAW，器件生成 国外业界广泛 DESSIS，器件仿真 使用
– 在版图设计级
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器件结构/电路形式对速度、功耗的影响
• 器件结构对速度、功耗的影响
– 双极型器件速度快, 但功耗大; – MOS型器件功耗低, 但速度相对也低。
• 电路形式对速度、功耗的影响
– 同是双极型器件，ECL电路快于TTL电路（后 者器件进入深饱和区而前者只达临界饱和点） – 同是MOS型器件，CMOS电路功耗低于单纯 NMOS或PMOS电路（后者有静态功耗而前者 无静态功耗）
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DRAM现状
美国 TI、Motorola已完全退出DRAM存储器产业， IBM亦淡出，仅剩下全球市占率第四的美光 （Micron）独撑大局 日本 东芝、富士通、日立等均退出DRAM市场，日立 与NEC整合成立尔必达（Elpida）公司，成为全 球第五大存储器厂商。 欧洲 仅剩下德国的英飞凌(Infineon)，市场占有率 2000年 窜升至第四。06年剥离其存储器事业部 门成立Qimonda，为全球第三大厂。 韩国 DRAM位居全球首位。三星蝉联冠军。现代及 LG合并而成的Hynix，是全球DRAM第二大厂。 台湾 也有4家公司入围世界10大DRAM公司之列。
84.8％ 7.1％ 6.1 ％ 2.0％
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84.5％ 6.7％ 6.6％ 2.2％
85.4％ 6.4％ 6.3% 1.9％
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一、通用集成电路的四种产品形态
IC 产业主要以四大类产品的形态存在 1. 2. 3. 4. 微器件（Micro Device） 存储器（Memory） 逻辑电路（Logic） 模拟电路（Analog）
– 通用逻辑电路（与非、或非、倒相器、DFF、MUX…） – 现场可编程逻辑器件（FPLD） – 数字双极电路
• 逻辑电路 与存储器、微处理器 一同构成了三种 基本的数字电路类型。
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4.模拟电路
模拟电路是指处理连续性的光、声音、温度、速度等自 然模拟信号的集成电路产品。
常用模拟 IC
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2.1 DRAM
DRAM存储器起源于Intel公司，后日本、韩国及 中国台湾纷纷以此为切入点进入IC产业领域，迄 今为止依然是这些国家和地区的主打产品。
– 因为日本企业的逐渐强大，Intel在1985年宣布退出存 储器领域，转而集中发展微处理器。 – 因为日本存储器产业的强大，使得1988年日本位居全 球半导体产业之首，独占世界市场50％以上，并维持 7年之久。 – 同样因为韩、台在DRAM领域的相继崛起，美国称霸 微处理器领域，导致日本在世界半导体市场上的地位 又逐渐下降，近年已仅占20％。
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PDP数字电视显示器行扫描驱动芯片
整体电路图
高压输出
高低压转换 移位锁存
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3
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高压输出电路部分
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高低压转换接口电路
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移位寄存器和锁存器
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整体版图
A
B C
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高压输出电路版图
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高低压转换接口部分的版图
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移位寄存器和锁存器版图
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移位寄存器和锁存器的放大版图（1千倍）
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三、常用半导体制造工艺
• IC制造工艺
– 数字IC电路（ CMOS工艺） – 模拟IC电路（Bipolar工艺、CMOS工艺） – 数模混合信号IC电路（ CMOS、BiCMOS工艺） – 电源相关功率IC电路（ BCD工艺）
专用集成电路(IC)概念
• 通用集成电路:
– 市场上能买到的 IC
• 专用集成电路 (ASIC)
– 市场上买不到、需要自己设计实现的 IC
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半导体产业的主要产品分类
分为四大类：
集成电路，分立器件，光电器件、传感器
05-07年全球半导体产品销售比例 2005 2006 2007
集成电路( IC, 通用、专用) 分立器件(Discrete) 光电器件(Optoelectronic) 传感器 (Sensors)
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1. 微器件（Micro Device）
微器件由三部分器件构成
1.1 微处理器（MPU）
通用型、嵌入式
1.2 微控制器（MCU）
4、8、16、32位
1.3 数字信号处理器（DSP）
通用型、嵌入式
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1.1 微处理器（MPU）
通用型微处理器
– PC机或工作站、服务器等的CPU，具有 高 垄断、高技术、高利润、高风险 等特征。