序论

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第1章 概论
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♦ 1947年，贝尔实验室的肖克莱、巴丁、 年 贝尔实验室的肖克莱、巴丁、
布拉顿发明点触型晶体管； 布拉顿发明点触型晶体管；1950年又发 年又发 明了面结型晶体管。相比电子管， 明了面结型晶体管。相比电子管，晶体 管体积小、重量轻、寿命长、发热少、 管体积小、重量轻、寿命长、发热少、 功耗低，电子线路的结构大大改观， 功耗低，电子线路的结构大大改观，运 算速度则大幅度提高。 算速度则大幅度提高。 ♦ 肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿 肖克莱（ ）、巴丁 巴丁（ ）、布拉顿 （右）于1956年共同获得诺贝尔物理学 年共同获得诺贝尔物理学 奖。
个句子的篇幅， 个句子的篇幅，简短地公布贝尔实验室 发明晶体管的消息。它就像8颗重磅炸弹 颗重磅炸弹， 发明晶体管的消息。它就像 颗重磅炸弹， 在电脑领域引来一场晶体管革命， 在电脑领域引来一场晶体管革命，电子 计算机从此将大步跨进了第二代的门槛。 计算机从此将大步跨进了第二代的门槛。 晶体管的发明， 晶体管的发明，为半导体和微电子产业 的发展指明了方向。 的发展指明了方向。采用晶体管代替电 子管成为第二代计算机的标志。 子管成为第二代计算机的标志。
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♦ 70年代 第一代：CAD设备 年代──第一代 年代 第一代： 设备
– 小型专用计算机 小型专用计算机+CAD软件（Daisy系统） 软件（ 系统） 软件 系统 – 逻辑模拟，逻辑优化 逻辑模拟， – 版图图形编辑+设计规则检查 版图图形编辑 设计规则检查(DRC) 设计规则检查
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♦ 0.8 —0.35µm
亚微米 ♦ 0.25µm 及其以下 深亚微米 ♦ 0.05µm 及其以下 钠米级
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一个SOC结构的示意图
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SOC软件部分
♦ 处理器指令组成的程序 ♦ 嵌入式操作系统
IP模块（IP核）
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教材与参考书
♦ 教材：《数字系统设计自动化 第2版》 边计年 教材： 版
吴为民, 薛宏熙 苏明 吴为民 清华大学 出版社 ， 2005.7 ♦ 《VHDL简明教程》王小军编著 ，乔长阁 边计年 薛宏 简明教程》 简明教程
出版社， 熙 译，清华大学 出版社， 1997 ♦ 《用VHDL设计电子线路》 边计年 薛宏熙译 ， 清华大 设计电子线路》 设计电子线路 出版社， 学 出版社， 2000 ♦ 《数字逻辑与 数字逻辑与VHDL设计》边计年 薛宏熙译，清华大学 设计》 薛宏熙译， 设计 出版社， 出版社，2005.1. ♦ Synthesis and Optimization of Digital Circuits, Giovanni De Micheli, (Stanford U) , McGraw-Hill, Inc.
♦ 设计自动化 (DA) （研究自动设计软件） 研究自动设计软件） Design Automation ♦ 计算机辅助设计 计算机辅助设计(CAD) Computer Aided Design ♦ 电子设计自动化 (EDA)
(模拟电路 + 数字系统 模拟电路 数字系统)
♦ 数字系统 计算机 通信 控制电路 集成电路 数字系统: 计算机, 通信, 控制电路, 集成电路… ♦ 超大规模集成电路 (VLSI ) Very Large Scale Integrated Circuit ♦ 人工设计→CAD→DA 人工设计→ → CAM CAT 2007.3. 第1章 概论
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♦ Stretch计划和 计划和LARC计划 计划 计划和 ♦ 1955，在美国原子能委员会的支持下，IBM和 ，在美国原子能委员会的支持下， 和
生产UNIVAC的兰德公司分别开始实施 Stretch 的兰德公司分别开始实施 生产 计划和LARC计划，希望设计更快速的计算机。 计划， 计划和 计划 希望设计更快速的计算机。 ♦ Stretch（左）和LARC（右）在商业上都不成 （ （ 但在设计中采用了大量新思想， 功，但在设计中采用了大量新思想，为开发第 三代计算机打下了良好的基础。 三代计算机打下了良好的基础。
♦ 软模块：该模块仅含功能描述，不含布 软模块：该模块仅含功能描述，
图信息——灵活，但布图困难 灵活， 图信息 灵活 ♦ 硬模块：该模块已经完成布图，形状已 硬模块：该模块已经完成布图， 经固定
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集成电路工艺的发展
♦ 集成电路工艺的发展 集成电路工艺的发展<= =>设计自动化技术的发展 设计自动化技术的发展 ♦ 芯片集成度指数级增长
♦
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晶体管计算机
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集成电路催生第三代计算机
♦ 集成电路的问世催生了微电子产业，采 集成电路的问世催生了微电子产业，
用集成电路作为逻辑元件成为第三代计 算机的最重要特征。此外， 算机的最重要特征。此外，系列兼容和 采用微程序设计也是第三代计算机的重 要特点，作为第三代计算机的杰出代表， 要特点，作为第三代计算机的杰出代表， IBM S/360为IBM带来了极大成功， 为 带来了极大成功， 带来了极大成功 几乎成为计算机的代名词。 “IBM”几乎成为计算机的代名词。 几乎成为计算机的代名词
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System-on-a-Chip（SoC）
♦ System-in-a-Room (Vacuum Tubes) ♦ System-in-a-Cabinet (Transistors) ♦ System-on-a-Board (Printed Circuit Board)
• 逻辑图输入、逻辑模拟、逻辑综合、 逻辑图输入、逻辑模拟、逻辑综合、 • 逻辑电路测试码生成、版图和PCB的自动布局布线 逻辑电路测试码生成、版图和 的自动布局布线
– 熊猫系统，Mentor, Cadence, ViewLogic… 熊猫系统，
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♦ 90年代 年代──第三代 覆盖所有级别的EDA开放 第三代： 年代 第三代：覆盖所有级别的 开放
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集成电路的发展
♦ SSI： 小规模集成电路； ： 小规模集成电路； ♦ MSI： 大规模集成电路； ： 大规模集成电路； ♦ LSI： 中规模集成电路； ： 中规模集成电路； ♦ VLSI： 超大规模集成电路； ： 超大规模集成电路； ♦ ASIC ( Application Specific IC)： 专用 ： 集成电路； 集成电路； ♦ SOC ( System On a Chip )：系统级芯片； ：系统级芯片；
♦ 2000-2005——以SOC为中心，系统级设计 为中心， 以 为中心 – 0.13 µ ,95nm,
♦ 2005以来 以来——更高抽象级别，纳米级工艺 更高抽象级别，纳米级工艺 以来
– 65nm,45nm…
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有人预言：
未来的VLSI设计者是科学家而不是工程师 设计者是科学家而不是工程师 未来的
（Semiconductor Industry）
1.40 0.00
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Thickness of skin is 100 µm Diameter of a piece of hair is 50 µm Finger nails grow by 1 µm in 10 minutes
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ITRS2005预测
International Technology Roadmap for Semiconductors
特征尺寸(nm) 片上时钟频率(GHz) 最大互连线层数 晶体管数(G)
100 80 60 40 20 0 2005 2008 2011 2014 2017 2020 年份
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一、EDA发展历史与现状 发展历史与现状
♦ 50年代 年代──萌芽 年代 萌芽 – 美国 美国STRETCH计划，LARC计划 计划， 计划 计划 – 用电子管计算机帮助设计晶体管计算机 – 逻辑图的保存、检查、修改 逻辑图的保存、检查、 ♦ 60年代 ──简单的单独的 简单的单独的CAD软件 年代 简单的单独的 软件 – 印刷电路板 印刷电路板PCB、集成电路 出现 、集成电路IC出现 + 计算机应用的推广 – PCB布线 电路模拟 电路分析 逻辑模拟 布线, 布线 电路模拟, 电路分析,
数字系统设计自动化
Design Automation for Digital Systems
陈晓梅 电气与电子工程学院
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教学安排
♦ 讲课：陈晓梅，2学时 讲课：陈晓梅， 学时 学时*18次 次 ♦ 实验：12学时 （6次） 实验： 学时 次 ♦ 成绩给定： 成绩给定： – 平时成绩30% 平时成绩30% – 考试成绩 考试成绩70%
– Moore定律: 最小晶体管特征尺寸每三年以0.7倍递减 这个规律至少保持了40年! (first published in 1965) – 1997 National Technology Roadmap for Semiconductors
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Rapid Advancement in Technology
式集成系统
– 集成电路工艺：0.8µ，0.5µ，0.25µ，0.18µ, 集成电路工艺： µ µ µ µ (亚微米，深亚微米） 亚微米， 亚微米 深亚微米） – 高层次设计自动化，形式验证 高层次设计自动化， – 标准硬件描述语言 标准硬件描述语言VHDL – 时延、功耗驱动的高层次综合与版图自动布局布线 时延、 – Synopsys, Mentor, Cadence…
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第1章 概论
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埃克特（ 埃克特（右）和莫克利（左）因 和莫克利（ 共同研制成功ENIAC而名垂青史。 而名垂青史。 共同研制成功 而名垂青史
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1959-1964：晶体管造就第二代计 ： 算机
♦ 1948年7月1日， 美国《纽约时报》曾用 年 月 日 美国《纽约时报》曾用8
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第一章
概论
♦ 一、EDA发展历史与现状 ♦ 二、数字系统与VLSI ♦ 三、设计自动化的级别与内容 ♦ 四、对设计技术的挑战 ♦ 五、用EDA工具设计集成电路
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第1章 概论
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ENIAC开创第一代计算机
♦ 世界上第一台通用数字电子计算机
ENIAC的问世，宣告了人类从此进入电 的问世， 的问世 子计算机时代。 子计算机时代。
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第一个半导体集成电路
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第1章 概论
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1958年，美国物理学家基尔比和 年 诺伊斯同时发明集成电路
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第1章 概论
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蓝色巨人
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第1章 概论
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微处理器铸就了第四代计算机
♦ 从此进入微机时代
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第1章 概论
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第一章 概论
♦ 80年代 年代── 第二代：ICCAD软件系统 第二代： 年代 软件系统 – 集成电路大量使用，集成电路工艺：5µ, 3µ, 1µ 集成电路大量使用，集成电路工艺： µ µ µ – EDA迅速发展，覆盖了逻辑图输入 迅速发展， 迅速发展 – 集成电路自动设计全过程（逻辑图 集成电路自动设计全过程（逻辑图——产品） 产品） 产品
(Integrated Circuits , Microprocessors)
♦ System-in-a-Package（Multi-chip Module） ） ♦ System-on-a-Chip
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第1章 概论
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集成电路制造技术发展 芯片（SOC）
系统
在单个芯片集成多种类型， 在单个芯片集成多种类型，多种功能的组 件，共同组成一个完整的系统