集成电路设计业产业
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• 商业模式 – 集中于产品的定义、设计和市场，是增值的主要来源 – 制造加工采用合同外包，避开制造管理负担、巨额建 厂投资易于初创和股票上市
Fabless所占半导体产业比重日益增加
半导体工业 (in $million)
Fabless (in $million)
$250,000
$18,000
$200,000
B、互连线的建模、仿真与线网综合：以互连线为中心的模式 需要研究互连线的建模与快速仿真方法，以及时钟线网和电源 线网的仿真和综合。
C、与物理层相关的系统综合：当互连线决定了芯片延迟性能 时，融合系统综合和布局综合可解决设计不收敛的难题。
D、从行为级到版图级的验证与测试生成：复杂度使验证和测 试生成占SOC设计时间的50%以上，必须研究新型故障模型的 建模和故障模拟技术。
集成电路设计业产业化趋势
1. 集成电路设计业产业化的趋势 2. IC设计业的2005
从1958年发明晶体管到现在 半导体产业从无到2130多亿美元的产值！
K
最 早 的 1 存 储 器 第 一 步
1969年
(
)
最 早 的 4 位 微 处 理 器 第 二 步
1971年
(
)
2000门的ACTEL FPGA(第三步 1980’s)
• 1982年出现第一家专业化的集成电路设计公司——美国
LSILOGIC公司，集成电路设计公司得到超常发展。统计
表明集成电路设计业年增长率高达41%,比半导体行业年 增长率高出20％，占半导体工业收益的15％以上。
集成电路设计业成为微电子工业的龙头
•上世纪末集成电路设计业开创了以知识产权（IP）为核心的 创新时期，这标志着集成电路产业的竞争，已过了技术、资本 阶段，进到了智力竞争的高级阶段，从而把集成电路设计业， 推到了产业“龙头”的位置。仅以美国硅谷地区为例，已有 100家专业设计公司上市，接近20％，是各类产业的佼佼者。
1000
500
500
0
0
1999
2002
2005
2008
2011
M-Transistors per uP Intel Developers Conference 2001
Target Man Years per Chip
Projected MY per uP
微电子产业结构演变
➢IDM ➢Foundry ➢Fabless ➢Chipless
微电子产业结构演变
• 三次变革，导致垂直型向水平型转变 微电子产业分为设计、制版、制造、封装、测试等环节 – 60至70年代：微处理器、存储器、逻辑IC标准化导致系统
公司与IC公司分离，形成包含设计与制造乃至所有环 节的垂直型集成器件制造(IDM)公司
– 80至90年代：ASIC设计技术观念变革导致专职设计的 Fabless-IC公司与专职加工的Foundry-IC公司分离
世界半导体销售额
集成电路设计业 成为微电子工业的龙头
全球集成电路设计业的产业现状
集成电路设计业成为微电子工业的龙头
• 自20世纪60年代中期在工业发达国家形成集成电路产业以 来，该产业逐渐演化为设计、制造、封装和测试四个协调 发展的产业结构。
• 在集成电路制造工艺相对成熟之后，为适应市场和拓展新 的应用领域，集成电路设计业在推动整个集成电路产业上 台阶中起着关键的作用。
–SOC设计技术发展大大缩短了实际的设计时间
晶体管数 in million 设计人年
3500
3500
计划1100设计人员3年
3000
3000
2500
2500
2000 Intel P4 (~42M晶体管) 1500 ~300设计人员 ~3年
=900人年
1000
2000
1.6 Billion晶体管
1500
A、低功耗高性能SOI器件及材料：0.1微米和1V左右电源电压 的低功耗深亚微米器件。研制新型低功耗高性能SOI器件电路。
B 、 射 频 电 路 用 的 新 器 件 和 相 关 材 料 问 题 ： 重 点 在 SiGe 、 SiGeC 等 新 型 的 硅 基 异 质 结 构 材 料 及 器 件 研 究 ， 解 决 由 于 GaAs 射 频 模 拟 电 路 与 硅 CMOS 工 艺 完 全 不 兼 容 对 无 线 通 讯 SOC实现的制约。
C、硅基纳米器件及其集成基础：提出可集成的器件结构和工 作模式，建立相关器件物理模型。以硅基纳米存储器、单电子 晶体管和隧道共振晶体管为重点，研究发展适用于未来SOC的 极低功耗、超高密度、超高频率的纳米器件。
• 设计时间(Time To Marketing) – 晶体管数的增加提高微处理器的设计时间
•2000年6月，国务院出台《鼓励软件产业和集成电路产业发展 的若干政策》的18号文件，指出“集成电路设计业视同软件产 业”“享受软件产业的相关优惠政策”。国家科技部为了引导 集成电路产业的发展，支持在全国建立七个“国家级集成电路 设计产业化基地”(京、沪、杭、无锡、西安、成都、深圳) 。
系统级芯片(SOC) 是当前最迫切、现实的方向
❖海量多媒体信息压缩的代价是高计算量(>1Gops)： ❖多媒体通信要求高传输速率、宽带：>1Gbps ❖从3G(Gbit、Gops、Gbps)正走向3T(Tbit、Tops、Tbps)
2000 2003
1090US$
脱离贫困
2020
≥3000US$
小康
IT业 主要 是装 配业
加强发展 Components、IC、 软件等，加强自主
大中型计算机时代 PC时代
移动电话时代
1975
1985
1995
2005
约5000亿美元
泛网时代 2015
市场焦点的空间越来越集中：
在通信骨干核心网的基础设施阶段：市场集中在1000平方 Km
在通信城域网的设施阶段：市场集中在10 ～100平方Km
在通信接入网的设备阶段：市场集中在1～10平方Km
在固定多媒体设备阶段：市场集中在10～几10平方m家居 厅室
$16,000 $14,000
$150,000
$12,000 $10,000
$100,000
$8,000 $6,000
$50,000
$4,000 $2,000
$0
$0
87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01(E)
半导体工业
Fabless工业
年份
1998 1999 2000 2001 2002 2003
晶体管发明到现在 55年半导体产业从无到2040亿美元的产值！
年增长率
70% 50% 30% 10% -10% -30%
YoY Growth Semi. Revenue
半导体的销售额
250 200 150 100 50
-50%
0
1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002E
•芯核及其可复用性和可嵌入性：以MPU和DSP为核建 立RTOS支持的GPIO，实现MidWare支撑的API
•高性能、低功耗电路与系统：这是实现无线、可移动多 媒体系统的便携电子产品的关键
•新型定时系统与异步系统
•模拟、射频及混合信号集成电路
2、SOC的综合、验证与测试理论的研究内容：
A、芯片系统的行为表示理论：预估功耗、互连线延时、噪声、 可靠性等SOC的高层次抽象模型和结构化表示理论。
• IC制造技术已经提供了构成SOC的能力 • 信息基础设施和多媒体3C(计算机、通信、消费类) 产品离不
开SOC； • 对芯片集成度、速度、功耗无止境的需求挑战：
➢ 技术上IC设计落后于制造已成为瓶颈 ➢ IC复杂性的年增长率为58%，而设计能力年增长率仅21 % ➢ 设计人力资源年短缺率30%，设计队伍增大导致效率降低 ➢ IC(电路)向IS(系统)转变需要概念上的突破：
发展我国自主智权IC产品
•SOC的设计的专业化水平越来越高， •促成了设计平台的前端越来越依赖系统， •设计平台的后端越来越依赖工艺：
✓前端是一个建立系统级描述、验证的仿真平台： ➢要有对市场需求快速反应的专业背景 ➢要有丰富的可重用的(IP)设计资源 ➢软、硬件的协同设计的能力 ➢管理设计的经验和团队合作精神
产品
向“以人为本”的 “消系费统”集产成S品OC发展
包括信息采集， 处理与随动执
行 低功耗
新能源
产能来源： 4-5英寸片
进入人体的医 疗检测与保健
产品
进入家庭的各 种娱乐性、休
闲性产品
与天、地、 网络互联的 通讯产品
8英寸片
8-12英寸片
袖珍、移动
遥控
大容量存储
12英寸片
高速信息 处理
产值： 100亿-300亿美元 >1000亿美元 2000-2500亿美元
✓后端是一个高效、可靠的实现设计的工艺环境： ✓稳定的工艺流程(人员和素质) ➢丰富的经工艺验证过的固核 ➢灵活的代工方式(如MPW支持等) ➢制造、测试和封装一体化的服务
1、SOC集成方法学研究的对象：
•信息处理算法和协议到SOC的结构映射：建立软、硬件 设计的统一框架、公共母线，处理好数据流、控制流和 指令流。
销售额(亿 USD) 83.66 107.49 145.47 181.54 237.43 292.8
Fabless 比重 6.66% 7.19% 7.46% 7.44% 8.51% 9.76%
C、0.1微米级MOS器件的可靠性分析：解决器件、互连可靠性 及热效应问题。
D、0.1微米级器件用硅材料的缺陷问题：研究纳米级微观缺陷 在生长和后工艺过程中的演变特征，揭示相关的物理机制。
E、0.1微米级器件光刻工艺基础：X射线及电子束的新一代0.1 微米级光刻技术。
5、适于SOC的新材料及新器件探索与集成研究：
E、SOC的可测试性设计：SOC中器件数与引脚数的比率大大 提高，如何保证SOC的可测试性成为严峻的挑战。2
3、用于SOC的集成微传感系统
A、微观声、光、热、力、电耦合与等效分析
B、微结构动力学建模分析：研究微观输运机制与非线性效 应对微传感器敏感结构的响应的影响。
C、集成微传感器、阵列芯片和分析系统：研究微传感器及 其预处理电路的集成技术，微传感器阵列形成与信号时空预 处理能力。
– 21世纪：SOC强调基于硅智权模块(SIP)的设计导致专职 SIP开发的Chipless-IC公司的兴起
IC业发展为Foundry、 Fabless、Chipless“三足鼎立”局面
Fabless公司
• Fabless的兴起 – 80年代末在北美出现 – 条件 • 独立的Foundry公司，能提供先进工艺和价格 • 独立的封装、测试公司，能提供优质服务 • 独立的EDA工具供应商，能提供必须的设计工具 • 独立的可靠性与失效分析商业实验室提供服务 – 预计2010年可占到世界半导体销售额15-20%
D、微传感与集成电路的兼容性：包括集成工艺的兼容性和 微结构与集成电路的兼容技术。
E、解决微传感器与数字CMOS工艺的兼容性wenku.baidu.com题
4、面向SOC的小尺寸MOS器件科学问题研究：
A、亚0.1微米MOS器件结构：高K栅介质、及新型栅电极、源 漏结构等为突破亚0.1微米MOS器件限制提供技术平台。
B 、 0.1 微 米 级 MOS 器 件 模 型 、 参 数 提 取 和 仿 真 ： 建 立 适 于 SOC设计的0.1微米级MOS器件模型，探讨参数提取及电路仿 真的方法。
--
奔 4
微 处 理 器 上 世 纪 90 年 代
(
)
SOC(硅片上系统集成芯片)2000年以后
解压缩图形处 理
7 通道的 DMAC
16/32位 Bus 控制器
DRAM控制器
信号I/O 端口
内部 BUS和 Cache 控制 器
FEC 寄存器
12位 CPU Core
3维图形变换 加速器
4KB的Cache
在移动多媒体设备阶段：市场集中在1～n平方m的汽车中
在便携多媒体设备阶段：市场集中在n平方dm的书包和手 提包中
发展我国微电子产业的策略
•跨越式发展制造业：
✓晶片从8寸迅速提升到12寸 ✓加工的工艺尺寸从0.35微米迅速缩小到0.09微米
✓跨越式地缩小与世界先进水平的差距
•以IC及SOC设计业为突破口，大力
创新
发展基 于知识 的经济
形态
2040/2050 人均GDP
10000US$
中等发达
2004
中国 沿海 地区 达到 4000$
经济加速发展期，强调自主创新。
驱动市场 的产品：
国防、工作站、 大型计算机
中个小人型电计脑算(P机C、) （网移络动通通P讯C讯设, 设备备，）
音视频等文 化产品
进入办公室的 信息处理系统
Fabless所占半导体产业比重日益增加
半导体工业 (in $million)
Fabless (in $million)
$250,000
$18,000
$200,000
B、互连线的建模、仿真与线网综合：以互连线为中心的模式 需要研究互连线的建模与快速仿真方法，以及时钟线网和电源 线网的仿真和综合。
C、与物理层相关的系统综合：当互连线决定了芯片延迟性能 时，融合系统综合和布局综合可解决设计不收敛的难题。
D、从行为级到版图级的验证与测试生成：复杂度使验证和测 试生成占SOC设计时间的50%以上，必须研究新型故障模型的 建模和故障模拟技术。
集成电路设计业产业化趋势
1. 集成电路设计业产业化的趋势 2. IC设计业的2005
从1958年发明晶体管到现在 半导体产业从无到2130多亿美元的产值！
K
最 早 的 1 存 储 器 第 一 步
1969年
(
)
最 早 的 4 位 微 处 理 器 第 二 步
1971年
(
)
2000门的ACTEL FPGA(第三步 1980’s)
• 1982年出现第一家专业化的集成电路设计公司——美国
LSILOGIC公司，集成电路设计公司得到超常发展。统计
表明集成电路设计业年增长率高达41%,比半导体行业年 增长率高出20％，占半导体工业收益的15％以上。
集成电路设计业成为微电子工业的龙头
•上世纪末集成电路设计业开创了以知识产权（IP）为核心的 创新时期，这标志着集成电路产业的竞争，已过了技术、资本 阶段，进到了智力竞争的高级阶段，从而把集成电路设计业， 推到了产业“龙头”的位置。仅以美国硅谷地区为例，已有 100家专业设计公司上市，接近20％，是各类产业的佼佼者。
1000
500
500
0
0
1999
2002
2005
2008
2011
M-Transistors per uP Intel Developers Conference 2001
Target Man Years per Chip
Projected MY per uP
微电子产业结构演变
➢IDM ➢Foundry ➢Fabless ➢Chipless
微电子产业结构演变
• 三次变革，导致垂直型向水平型转变 微电子产业分为设计、制版、制造、封装、测试等环节 – 60至70年代：微处理器、存储器、逻辑IC标准化导致系统
公司与IC公司分离，形成包含设计与制造乃至所有环 节的垂直型集成器件制造(IDM)公司
– 80至90年代：ASIC设计技术观念变革导致专职设计的 Fabless-IC公司与专职加工的Foundry-IC公司分离
世界半导体销售额
集成电路设计业 成为微电子工业的龙头
全球集成电路设计业的产业现状
集成电路设计业成为微电子工业的龙头
• 自20世纪60年代中期在工业发达国家形成集成电路产业以 来，该产业逐渐演化为设计、制造、封装和测试四个协调 发展的产业结构。
• 在集成电路制造工艺相对成熟之后，为适应市场和拓展新 的应用领域，集成电路设计业在推动整个集成电路产业上 台阶中起着关键的作用。
–SOC设计技术发展大大缩短了实际的设计时间
晶体管数 in million 设计人年
3500
3500
计划1100设计人员3年
3000
3000
2500
2500
2000 Intel P4 (~42M晶体管) 1500 ~300设计人员 ~3年
=900人年
1000
2000
1.6 Billion晶体管
1500
A、低功耗高性能SOI器件及材料：0.1微米和1V左右电源电压 的低功耗深亚微米器件。研制新型低功耗高性能SOI器件电路。
B 、 射 频 电 路 用 的 新 器 件 和 相 关 材 料 问 题 ： 重 点 在 SiGe 、 SiGeC 等 新 型 的 硅 基 异 质 结 构 材 料 及 器 件 研 究 ， 解 决 由 于 GaAs 射 频 模 拟 电 路 与 硅 CMOS 工 艺 完 全 不 兼 容 对 无 线 通 讯 SOC实现的制约。
C、硅基纳米器件及其集成基础：提出可集成的器件结构和工 作模式，建立相关器件物理模型。以硅基纳米存储器、单电子 晶体管和隧道共振晶体管为重点，研究发展适用于未来SOC的 极低功耗、超高密度、超高频率的纳米器件。
• 设计时间(Time To Marketing) – 晶体管数的增加提高微处理器的设计时间
•2000年6月，国务院出台《鼓励软件产业和集成电路产业发展 的若干政策》的18号文件，指出“集成电路设计业视同软件产 业”“享受软件产业的相关优惠政策”。国家科技部为了引导 集成电路产业的发展，支持在全国建立七个“国家级集成电路 设计产业化基地”(京、沪、杭、无锡、西安、成都、深圳) 。
系统级芯片(SOC) 是当前最迫切、现实的方向
❖海量多媒体信息压缩的代价是高计算量(>1Gops)： ❖多媒体通信要求高传输速率、宽带：>1Gbps ❖从3G(Gbit、Gops、Gbps)正走向3T(Tbit、Tops、Tbps)
2000 2003
1090US$
脱离贫困
2020
≥3000US$
小康
IT业 主要 是装 配业
加强发展 Components、IC、 软件等，加强自主
大中型计算机时代 PC时代
移动电话时代
1975
1985
1995
2005
约5000亿美元
泛网时代 2015
市场焦点的空间越来越集中：
在通信骨干核心网的基础设施阶段：市场集中在1000平方 Km
在通信城域网的设施阶段：市场集中在10 ～100平方Km
在通信接入网的设备阶段：市场集中在1～10平方Km
在固定多媒体设备阶段：市场集中在10～几10平方m家居 厅室
$16,000 $14,000
$150,000
$12,000 $10,000
$100,000
$8,000 $6,000
$50,000
$4,000 $2,000
$0
$0
87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01(E)
半导体工业
Fabless工业
年份
1998 1999 2000 2001 2002 2003
晶体管发明到现在 55年半导体产业从无到2040亿美元的产值！
年增长率
70% 50% 30% 10% -10% -30%
YoY Growth Semi. Revenue
半导体的销售额
250 200 150 100 50
-50%
0
1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002E
•芯核及其可复用性和可嵌入性：以MPU和DSP为核建 立RTOS支持的GPIO，实现MidWare支撑的API
•高性能、低功耗电路与系统：这是实现无线、可移动多 媒体系统的便携电子产品的关键
•新型定时系统与异步系统
•模拟、射频及混合信号集成电路
2、SOC的综合、验证与测试理论的研究内容：
A、芯片系统的行为表示理论：预估功耗、互连线延时、噪声、 可靠性等SOC的高层次抽象模型和结构化表示理论。
• IC制造技术已经提供了构成SOC的能力 • 信息基础设施和多媒体3C(计算机、通信、消费类) 产品离不
开SOC； • 对芯片集成度、速度、功耗无止境的需求挑战：
➢ 技术上IC设计落后于制造已成为瓶颈 ➢ IC复杂性的年增长率为58%，而设计能力年增长率仅21 % ➢ 设计人力资源年短缺率30%，设计队伍增大导致效率降低 ➢ IC(电路)向IS(系统)转变需要概念上的突破：
发展我国自主智权IC产品
•SOC的设计的专业化水平越来越高， •促成了设计平台的前端越来越依赖系统， •设计平台的后端越来越依赖工艺：
✓前端是一个建立系统级描述、验证的仿真平台： ➢要有对市场需求快速反应的专业背景 ➢要有丰富的可重用的(IP)设计资源 ➢软、硬件的协同设计的能力 ➢管理设计的经验和团队合作精神
产品
向“以人为本”的 “消系费统”集产成S品OC发展
包括信息采集， 处理与随动执
行 低功耗
新能源
产能来源： 4-5英寸片
进入人体的医 疗检测与保健
产品
进入家庭的各 种娱乐性、休
闲性产品
与天、地、 网络互联的 通讯产品
8英寸片
8-12英寸片
袖珍、移动
遥控
大容量存储
12英寸片
高速信息 处理
产值： 100亿-300亿美元 >1000亿美元 2000-2500亿美元
✓后端是一个高效、可靠的实现设计的工艺环境： ✓稳定的工艺流程(人员和素质) ➢丰富的经工艺验证过的固核 ➢灵活的代工方式(如MPW支持等) ➢制造、测试和封装一体化的服务
1、SOC集成方法学研究的对象：
•信息处理算法和协议到SOC的结构映射：建立软、硬件 设计的统一框架、公共母线，处理好数据流、控制流和 指令流。
销售额(亿 USD) 83.66 107.49 145.47 181.54 237.43 292.8
Fabless 比重 6.66% 7.19% 7.46% 7.44% 8.51% 9.76%
C、0.1微米级MOS器件的可靠性分析：解决器件、互连可靠性 及热效应问题。
D、0.1微米级器件用硅材料的缺陷问题：研究纳米级微观缺陷 在生长和后工艺过程中的演变特征，揭示相关的物理机制。
E、0.1微米级器件光刻工艺基础：X射线及电子束的新一代0.1 微米级光刻技术。
5、适于SOC的新材料及新器件探索与集成研究：
E、SOC的可测试性设计：SOC中器件数与引脚数的比率大大 提高，如何保证SOC的可测试性成为严峻的挑战。2
3、用于SOC的集成微传感系统
A、微观声、光、热、力、电耦合与等效分析
B、微结构动力学建模分析：研究微观输运机制与非线性效 应对微传感器敏感结构的响应的影响。
C、集成微传感器、阵列芯片和分析系统：研究微传感器及 其预处理电路的集成技术，微传感器阵列形成与信号时空预 处理能力。
– 21世纪：SOC强调基于硅智权模块(SIP)的设计导致专职 SIP开发的Chipless-IC公司的兴起
IC业发展为Foundry、 Fabless、Chipless“三足鼎立”局面
Fabless公司
• Fabless的兴起 – 80年代末在北美出现 – 条件 • 独立的Foundry公司，能提供先进工艺和价格 • 独立的封装、测试公司，能提供优质服务 • 独立的EDA工具供应商，能提供必须的设计工具 • 独立的可靠性与失效分析商业实验室提供服务 – 预计2010年可占到世界半导体销售额15-20%
D、微传感与集成电路的兼容性：包括集成工艺的兼容性和 微结构与集成电路的兼容技术。
E、解决微传感器与数字CMOS工艺的兼容性wenku.baidu.com题
4、面向SOC的小尺寸MOS器件科学问题研究：
A、亚0.1微米MOS器件结构：高K栅介质、及新型栅电极、源 漏结构等为突破亚0.1微米MOS器件限制提供技术平台。
B 、 0.1 微 米 级 MOS 器 件 模 型 、 参 数 提 取 和 仿 真 ： 建 立 适 于 SOC设计的0.1微米级MOS器件模型，探讨参数提取及电路仿 真的方法。
--
奔 4
微 处 理 器 上 世 纪 90 年 代
(
)
SOC(硅片上系统集成芯片)2000年以后
解压缩图形处 理
7 通道的 DMAC
16/32位 Bus 控制器
DRAM控制器
信号I/O 端口
内部 BUS和 Cache 控制 器
FEC 寄存器
12位 CPU Core
3维图形变换 加速器
4KB的Cache
在移动多媒体设备阶段：市场集中在1～n平方m的汽车中
在便携多媒体设备阶段：市场集中在n平方dm的书包和手 提包中
发展我国微电子产业的策略
•跨越式发展制造业：
✓晶片从8寸迅速提升到12寸 ✓加工的工艺尺寸从0.35微米迅速缩小到0.09微米
✓跨越式地缩小与世界先进水平的差距
•以IC及SOC设计业为突破口，大力
创新
发展基 于知识 的经济
形态
2040/2050 人均GDP
10000US$
中等发达
2004
中国 沿海 地区 达到 4000$
经济加速发展期，强调自主创新。
驱动市场 的产品：
国防、工作站、 大型计算机
中个小人型电计脑算(P机C、) （网移络动通通P讯C讯设, 设备备，）
音视频等文 化产品
进入办公室的 信息处理系统