数字集成电路chapter1

8008 4004
0.1 1971 1974 1978 Year 1985 1992 2000
主流处理器功耗持续增加（CMOS工艺的采用出现短暂下降）
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Courtesy, Intel
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Power will be a major problem
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The First Transistor
•1947年 Bell Lab的 布拉顿和巴 丁发明了第 一只晶体管 •1948年 Bell Lab的 肖克利发明 了现代晶体 管的始祖— —结型晶体 管
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Class Material

Textbook: “Digital Integrated Circuits – A Design Perspective,” 2nd Edition, by J.Rabaey, A. Chandrakasan, and B. Nikolic
1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975
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Evolution in Complexity
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Transistor Counts
K 1,000,000 100,000 10,000 1,000 100 10
8086
Source: Intel
1 Billion Transistors
Pentium® III Pentium® II Pentium® Pro Pentium®
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What is this Course all about?

Introduction to digital integrated circuits.
manufacturing CMOS devices Wire CMOS inverters Static/Dynamic CMOS gates Sequential circuits Interconnect Arithmetic memories
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The First MOS Device


1957年仙童半导体公司成 功地制造出金属氧化物半 导体（MOS）器件 1958年美国仙童电子公司 赫尔尼等人发明了一整套 制作微型晶体管的新工艺 ──“平面工艺“被移用到 集成电路的制作中，使集 成电路很快从实验室研制 试验阶段转入工业生产阶 段。
8086 10 4004 Hot Plate P6 8008 8085 Pentium® proc 386 286 486 8080 1 1970 1980 1990 2000 2010 Year
功率密度太大，以至于无法降低结温
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Moore’s Law
1965年,
Gordon Moore 预测 :
单芯片的晶体管数以每18个月～24个 月翻倍.
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The First Vaccum Tube



1904年英国电气工程师弗 莱明发明第一只真空二极 管 1906年美国科学家德· 福雷 斯特发明第一只具有放大 作用的真空三极管 电子管产生后，计算机便 跨入电子纪元 左下图是现在使用的电子 管
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The First Computer
•1834年 Babbage发明 •差动引擎机械计算装置 （Difference Engine） •25,000 各机械部件 •成本为 £17,470
特点： •十进制系统 •可执行加减乘除运算 •基本概念与现代计算机 很相似 •设计复杂 •成本高昂
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Power Dissipation
100 P6 Pentium ® proc 10 8086 286 1 8085 8080 486 386 Power (Watts)
Units
48M 86M 162M 260M 435M
Analog Baseband
Digital Baseband (DSP + MCU)
(data from Texas Instruments)
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LO G 2 O F THE NUM BER OF COM PONENTS PER INTEGRATED FUNCTION
16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Moore’s Law
Electronics, April 19, 1965.
Challenges in Digital Design
DSM
“Microscopic Problems”
• Ultra-high speed design • Interconnect • Noise, Crosstalk • Reliability, Manufacturability • Power Dissipation • Clock distribution. Everything Looks a Little Different
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Intel 4004 Micro-Processor
1971年 仅用NMOS 2250 个晶体管 3x4mm2 108kHz 时钟速率 历史 CMOS PMOS NMOS CMOS
主流的单片处理器晶体管数约每2年翻倍
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Die Size Growth
100 Die size (mm)
10 8080 8008 4004 1 1970 8086 8085 286
386
P6 Pentium ® proc 486
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Not Only Microprocessors
Cell Phone
Small Signal RF Power RF
Digital Cellular Market (Phones Shipped)
Power Management
1996 1997 1998 1999 2000
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TRADIC - The first full-transisitor computer (1955)
贝尔实验室研制出 世界上第一台全晶 体管计算机 TRADIC， 装有 800只晶体管，仅 100瓦功率，体积3 立方英尺。
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i486 i386 80286
1 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Projected
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Moore’s law in Microprocessors
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Intel Pentium (IV) microprocessor
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目录
历史回顾 数字IC设计中的问题 数字设计的质量评价
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The First Integrated Circuits
1958年TI的Jack Kilby 制成了世界 上第一块集成电 路。使用半导体 单晶硅制成了相 移振荡器，其中 的每个元器件已 不需要用金属导 线相连。
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