a集成电路设计基础

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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。
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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
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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。
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 倍。2
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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1985
486™ DX processor
1989
1,180,000
Pentium® processor
1993
3,100,000
Pentium II processor
2019
7,500,000
Pentium III processor
2019
24,000,000
Pentium 4 processor
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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
<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
Intel’s CPU
Year of introduction Transistors
4004
1971
8008
1972
8080
1974
8086
1978
286
1982
386™ processor
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 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
缺点:
• 设计复杂度高/设计周期长 • 费用高
应用范围
• 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
120-100 2-1.2 <10 50-75
LSI (1971) 103-105
5-3 10-1 100-40 1.2-0.5 10-25 100-125
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VLSI (1980) 105-107
3-1 1-10-2 40-15 0.5-.02 25-50
150
ULSI (1990) 107-108
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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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
(双极型-1959年公布) 1960年:制造成功MOS集成电路
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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
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集成电路的发展
年份
1989年
1993年
2019年
特征尺寸 1.0µm
版图自动 布局、布线
不满足 后仿真
满足
流片、封装、测试
VLSI数字IC的设计流图
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功能要求
系统建模 (Matlab等)
不满足 电路仿真
满足 手工设计
版图 不满足
后仿真 满足
流片、封装、测试
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) 定制法 可编程逻辑器件(PLD:Programmable Logic Device)设计
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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。
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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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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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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: • 门阵列(GA:Gate Array)
“自顶向下”(Top-down)
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
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
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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
发展阶段
主要特征 元件数/芯片
MSI (1966)
102-103
特征线宽(um) 速度功耗乘积(uj)
10-5 102-10
栅氧化层厚度 (nm)
结深(um)
芯片面积(mm2)
被加工硅片直径 (mm)
VLSI
105107
>2000
>300
ULSI
107109
GSI
>109
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
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 :
• --封装:
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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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。
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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 。
2000
42,000,000
2,250 2,500 5,000 29,000 120,000 275,000
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Intel 公司第一代CPU—4004
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电路规模:2300个晶体管 生产工艺:10um 最快速度:108KHz
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Intel 公司CPU—386TM
《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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2
主要内容
1.1 集成电路的发展 1.2 集成电路的分类 1.3 集成电路设计步骤 1.4 集成电路设计方法 1.5 电子设计自动化技术概论 1.6 九天系统综述
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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
• 有通道门阵列:就是在一个芯片上将预先制造完毕的形状和尺 寸完全相同的逻辑门单元以一定阵列的形式排列在一起,每个 单元内部含有若干器件,阵列间有规则布线通道,用以完成门 与门之间的连接。未进行连线的半成品硅圆片称为“母片”
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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
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电路规模:4千2百万个晶体管
生产工艺:0.13um
最快速度:2.4GHz
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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。
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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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
SSI MSI
数字集成电路
MOS IC
双极IC
<102
<100
102103
100500
模拟集成电路
<30 30100
LSI
103105 5002000 100300
0.6µm
0.35µm
水平标志 微米(M) 亚微米(SM) 深亚微米 (DSM)
2019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:
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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