a集成电路设计基础

定制法
可编程逻辑器件（PLD：Programmable Logic Device）设计方 法
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一、全定制方法
• 全定制集成电路（Full-Custom Design Approach）
• 适用于要求得到最高速度、最低功耗和最省面积的芯片设计。 • 即在晶体管的层次上进行每个单元的性能、面积的优化设计，每个晶体 管的布局/布线均由人工设计，并需要人工生成所有层次的掩膜（一般为 13层掩膜版图）。对每个器件进行优化，芯片性能获得最佳，芯片尺寸
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一个圆片制造多个芯片
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MPW示意图
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1.1
集成电路的发展
集成电路的出现
1947-1948年：公布了世界上第一支（点接触）晶体三极管—标 志电子管时代向晶体管时代过渡。因此1956年美国贝尔实验室 三人获诺贝尔奖 1950年：成功制出结型晶体管 1952年：英国皇家雷达研究所第一次提出“集成电路”的设想 1958年：美国德克萨斯仪器公司制造出世界上第一块集成电路 （双极型-1959年公布） 1960年：制造成功MOS集成电路
其设计步骤与“自底向上”步骤相反。设计者首先 进行行为设计；其次进行结构设计；接着把各子单元转换
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成逻辑图或电路图；最后将电路图转换成版图。
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功 能 要 求 功 能 要 求 行为设计 （Verilog/VHDL） 不满足 行为仿真 满足 综合、优化 网表 不满足 时序仿真 满足 版图自动 布局、布线 不满足 后仿真 满足 流片、封装、测试 满足 流片、封装、测试 后仿真
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半定制方法
半定制的设计方法 分为门阵列（GA：Gate Array）法和门海（GS：Sea of Gates） 法两种：
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集成电路
Integrated Circuit ，缩写IC IC是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二 极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按 照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片（如 硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路 或系统功能的一种器件。
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数字集成电路(Digital IC)： 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式 进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。 模拟集成电路(Analog IC)： 是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ： 线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、 电压比较器、跟随器等。 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ： 例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。
《集成电路设计概述》
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目的
• • • • 认识集成电路的发展历史、现状和未来 了解集成电路设计工艺 熟悉集成电路设计工具 培养集成电路设计兴趣
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主要内容
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 集成电路的发展 集成电路的分类 集成电路设计步骤 集成电路设计方法 电子设计自动化技术概论 九天系统综述
最小。
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全定制集成电路
优点：
•
•
•
所设计电路的集成度最高 产品批量生产时单片IC价格最低 可以用于模拟集成电路的设计与生产 设计复杂度高/设计周期长 费用高 集成度极高且具有规则结构的IC（如各种类型的存储器芯片） 对性能价格比要求高且产量大的芯片（如CPU、通信IC等） 模拟IC/数模混合IC
发展阶段 主要特征 MSI (1966) LSI (1971) VLSI (1980) ULSI (1990)
元件数/芯片
特征线宽(um) 速度功耗乘积(uj) 栅氧化层厚度(nm) 结深(um) 芯片面积(mm2) 被加工硅片直径 (mm)
102-103
10-5 102-10 120-100 2-1.2 <10 50-75
•
•
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按集成度分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目
类 别 MOS IC SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI <102 102103 103105 105107 107109 >109 数字集成电路 双极IC <100 100500 5002000 >2000 <30 30100 100300 >300 模拟集成电路
103-105
5-3 10-1 100-40 1.2-0.5 10-25 100-125
105-107
3-1 1-10-2 40-15 0.5-.02 25-50 150
107-108
<1 <10-2 15-10 0.2-.01 50-100 >150
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Intel 公司CPU芯片集成度的发展
缺点：
•
•
应用范围
• • •
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二、半定制方法
• 半定制集成电路（Semi-Custom Design Approach） ——即设计者在厂家提供的半成品基础上继续完成 最终的设计，只需要生成诸如金属布线层等几个特 定层次的掩膜。根据需求采用不同的半成品类型。
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集成电路今后的发展趋势
在发展微细加工技术的基础上，开发超高速度、 超高 集成度的IC芯片。
利用先进工艺技术、设计技术、封装技术和测试技术发 展各种专用集成电路(ASIC)， 特别是开发更为复杂的 片上系统(SOC)，不断缩短产品上市时限，产品更新换 代的时间越来越短。
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集成电路芯片显微照片
集成电路芯片键合
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各种封装好的集成电路
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集成电路IC基本概念 • --形状: 一般为正方形或矩形 • --面积: 几平方毫米到几百平方毫米。面积增大引起功耗 增大、封装困难、成品率下降，成本提高，可通过 增大硅园片直径来弥补。 • --集成度，规模: 包含的MOS管数目或等效逻辑门(2输入的NAND)的 数量 1个2输入的NAND=4个MOS管
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• --特征尺寸：
集成电路器件中最细线条的宽度，对MOS器件常指栅极所决定 的沟导几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸。 反映了集成电路版图图形的精细程度，特征尺寸的减少主要取 决于光刻技术的改进（光刻最小特征尺寸与曝光所用波长）。
• --硅园片直径：考虑到集成电路的流片成品率和生 产成本，每个硅园片上的管芯数保持在300个左右。 • --封装：
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按应用领域分类
标准通用集成电路
通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极 大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社
会需求量大，通用性强。
专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的 集成电路简称ASIC，其特点是集成度较高功能较多，功 耗较小，封装形式多样。
集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的集成度每 三年翻两番 ，而加工特征尺寸缩小 2 倍。 即由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总 结的规律，被称为摩尔定律。
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集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线
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IC在各个发展阶段的主要特征数据
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1.2
• • • • •
集成电路的分类
器件结构类型 集成度 使用的基片材料 电路的功能 应用领域
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按器件结构类型分类
• 双极集成电路：主要由双极型晶体管构成 • NPN型双极集成电路 • PNP型双极集成电路 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单 极型晶体管)构成 • NMOS • PMOS • CMOS(互补MOS) 双极-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极和MOS晶体管 的集成电路。综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工 艺复杂。
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Intel 公司CPU—386TM
电路规模：275,000个晶体管 生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
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Intel 公司最新一代CPU—Pentium® 4
电路规模：4千2百万个晶体管 生产工艺：0.13um
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最快速度：2.4GHz
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1.3集成电路设计步骤
“自底向上”（Bottom-up）
“自底向上”的设计路线，即自工艺开始，先进行
单元设计，在精心设计好各单元后逐步向上进行功能块、
子系统设计，直至最终完成整个系统设计。在模拟IC和较 简单的数字IC设计中，大多仍采用“自底向上”的设计方
法 。
“自顶向下”（Top-down）
按晶体管数目划分的集成电路规模
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按使用的基片材料分类
• 单片集成电路
是指电路中所有的元器件都制作在同一块 半导体基片上的集成电路。在半导体集成电路中 最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等。
• 混合集成电路
厚膜集成电路 薄膜集成电路
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按电路的功能分类
系统建模 （Matlab等） 不满足 电路仿真 满足 手工设计 版图 不满足
VLSI数字IC的设计流图
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模拟IC的设计流图
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1.4 集成电路设计方法
全定制方法（Full-Custom Design Approach） 半定制方法（Semi-Custom Design Approach）
特征尺寸越来越小（45nm） 硅圆片尺寸越来越大（8inch~12inch） 芯片集成度越来越大（>2000K） 时钟速度越来越高（ >500MHz） 电源电压/单位功耗越来越低（0.6V） 布线层数/I/0引脚越来越多（9层/>1200）
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摩尔定律
一个有关集成电路发展趋势的著名预言，该 预言直至今日依然准确。
把IC管芯放入管壳内并加以密封，使管芯能长期可靠地工作 为了适应高密度安装的要求，从扦孔形式（THP）向表面安装形 式（SMP）发展， SMP优点是节省空间、改进性能和降低成本， 而且它还可以直接将管芯安装在印制版电路板的两面，使电路板 的费用降低60%。目前最多端口已超过1千个。
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Intel’s CPU Year of introduction 4004 1971 8008 1972 8080 1974 8086 1978 286 386™ processor 486™ DX processor 1989 Pentium® processor 1993 Pentium II processor 1997 Pentium III processor 1999 Pentium 4 processor 2000
Transistors 2,250 2,500 5,000 29,000 1982 1985 1,180,000 3,100,000 7,500,000 24,000,000 42,000,000 120,000 275,000
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Intel 公司第一代CPU—4004
电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz
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集成电路的发展
年份 特征尺寸 水平标志
1989年 1.0µm 微米（M）
1993年 0.6µm 亚微米（SM）
1997年 0.35µm 深亚微米 （DSM）
2007年 45nm 超深亚微米 （VDSM）
表1
CMOS工艺特征尺寸发展进程
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集成电路发展的特点：
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集成电路的发展
• 从此IC经历了：
• SSI -Small Scale Integration • MSI-Medium Scale Integration • LSI -Large Scale Integration
• 现已进入到：
• VLSI-Very Large Scale Integration • ULSI-Ultra Large Scale Integration • GSI -Grand Sale Integration