数字集成电路1

14 13
April 19, 1965.
12 11
Gordon Moore
10
9
单片集成晶体
8 7
管数目每18或
6
24个月增长一
5 4
倍
3 2
半导体工艺的
1
效力每18个月
0
增长一倍
复杂度的演变——存储器
晶体管数目
K 1,000,000
十亿颗晶体管！
100,000 10,000 1,000 100
能量的传递和耗散将变得不可能
功率密度
Power Density (W/cm2)
10000 1000 100
火箭喷嘴温度 核反应温度
10 4004 8086 电炉温度
P6
8008 8080
8085286
386
Pentium® proc 486
1
1970
1980
1990 Year
8080
286
8086 8085
每年约增加7%
8008 4004
每10年约增加2倍
1 1970
1980
1990 Year
2000
2010
要符合摩尔定律，芯片尺寸每年需增长14%
摩尔定律——工作频率
Frequency (Mhz)
10000 1000
每2年增加1倍
100 10 8085
P6
Pentium ® proc 486 8086 286 386
1960年代是双极型 电路时代
1.2 集成电路产业的简要历史
双极型
1947年：晶体管（Bardeen/Bell Lab） 1949年：双极型晶体管（Schockley） 1956年：数字逻辑门（Harris） 1962 年 ： TTL （ 晶 体 管 - 晶 体 管 逻 辑 ） 系 列
（Beeson/Fairchild） 1974年：ECL（射极耦合逻辑）高速系列（Masaki） 1972年：I2L（集成注入逻辑）低功耗高密度系列（Hart） 功耗问题：让位于MOS（metal-oxide-semiconductor）
LOG2 OF THE NUMBER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION
1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975
16 15
Electronics,
Pentium® III
Pentium® II Pentium® Pro Pentium® i486 i386
80286
10
1 1975
8086
1980
1985 1990
1995 2000
Source: Intel
2005 2010
Projected
摩尔定律——微处理器
1000
100
Transistors (MT)
门级设计
通过综合工具实现
版图设计
通过版图设计工具实现，通常以GDS-Ⅱ格式表示
制造
包括流片、封装、测试等
1.2 集成电路产业的简要历史
第一台机械计算机 1832年，Babbage的 差动引擎 （Difference Engine Ⅰ）工作部件
问题：设计复杂，成 本高
1.2 集成电路产业的简要历史
高速：Intel 4004/8080
功耗：NMOS让位于CMOS
1.2 集成电路产业的简要历史
CMOS
1970年：工艺进步导致好的性价比 集成规模增大功耗瓶颈
其它工艺
Bi-CMOS
高速存储器和门阵列
SOI
面积/功耗/速度优，成本高
GaAs/SiGe/超导
速度优
摩尔定律（Moore’s Law）
10 1
0.1 0.01 0.001
P6 486 Pentium® proc
386 286
8085 8086 8080
8008 4004
1970
1980
1990 Year
2000
2010
每代领先的微处理器的晶体管数目每2年增加一倍
摩尔定律——芯片尺寸
100
Die size (mm)
ຫໍສະໝຸດ Baidu10
486 PenPti6um ® proc 386
第一章 深亚微米数字集成电路设计
1.1 绪论 1.2 集成电路产业的简要历史 1.3 数字逻辑门设计的回顾 1.4 数字集成电路设计 1.5 数字电路的计算机辅助设计 1.6 面临的挑战
1.1 绪论
集成电路的应用
高性能计算 仪表和工业控制 通信 消费电子
数字电路与模拟电路相比的优势
1978 1985 Year
1992
2000
每代领先的微处理器功耗持续增长
功耗将成为主要问题
Power (Watts)
100000 10000
18KW 5KW
1.5KW
1000
500W
Pentium® proc 100
10
80885086286386486
8080
1
8008 4004
0.1 1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008 Year
功能增加灵活 规模/速度随工艺按比例下降而优化 对工艺/电压/温度不敏感
1.1 绪论
电路设计应考虑：
可靠性 速度 功耗 面积 成本
1.1 绪论
数字系统设计
规格说明书（spec）
包含整个系统所需要的特性，定义输入、输出、环境条件、 操作速度等
寄存器传输级（RTL）设计
用Verilog或VHDL实现
第一台电气计 算机（1946） ENIAC（电子 数字积分计算 机）
18000个真空 管
问题：可靠性， 功耗，成本
1.2 集成电路产业的简要历史
第一个晶 体管
1947，贝 尔实验 室
1.2 集成电路产业的简要历史
第一块集成电路 ECL（射极耦合逻 辑） 3输入逻辑门 Motorola，1966年
1.2 集成电路产业的简要历史
MOS
1925年：IGFET绝缘栅场效应晶体管（Lilienfeld）
缺乏对材料的了解和栅稳定性问题的认识
1963年：CMOS逻辑门（Wanlass）
工艺复杂性
1970年：PMOS计算器 1970年：NMOS存储器
高密度：4Kbit
1972/74年：NMOS微处理器
1
8080
8008 0.1 4004
1970
1980
1990 Year
2000
2010
每代领先的微处理器工作频率每2年翻一番
摩尔定律——功耗
Power (Watts)
100
P6 Pentium ® proc
10
8086 286
486
386
8085
1
8008 8080
4004
0.1 1971
1974