微电子与集成电路设计引言

Fairchild（仙童） 1bit存储器 4个晶体管和5个电阻 小规模集成电路的时 代开始了 Fairchild被认为是硅 谷人才摇篮
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处理器的诞生 (1971)


Intel 4004 2300个晶体管 第一个单芯片计算机 标志着大规模集成电 路时代的开始 10um工艺 4位数据位宽 108KHz主频


CAD工具 层次化设计 设计复用
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功耗和噪声

功耗变大，散热成为不得不考虑的问题 电路复杂以后，产生噪声和互相干扰 解决方法:


更好的物理设计
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连线面积

器件多了以后，互连线也随之增加，连线 占用了大量的硅片面积 解决方法:


增加更多的连线层 使用CAD工具进行三维布线

摩尔在2007年说，“摩尔定律”还可以继 续保持10年，但之后就很难了。
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摩尔定律的影响

新一代的制造工艺是原来的0.7倍 新一代的芯片可集成原来2倍的功能，而芯 片面积却没有明显增加 同样功能的芯片，成本降低一半 但新的挑战也随之而来……
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设计复杂度

集成了越来越多的晶体管，难以用传统的 手工方法来设计和处理 解决方法：

用层次化抽象的方法来设计电路
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VLSI不同层次的抽象
设计规范
(what the chip does, inputs/outputs)
架构
major resources, connections
功能
logic blocks, FSMs, connections
逻辑
gates, flip-flops, latches, connections
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1979, Motorola 68000



1981, HP Focus Chip

Pentium 4 (2001)



0.18um工艺 1.4~2GHz主频 L2缓存: 256 KB 总线速度: 400 MHz 晶体管数: 4200万 功耗: 44-55W 典型应用: PC

集成电路速度提高 芯片上集成器件数增大 集成电路的功能提高 硅片上的芯片数目增大，成本降低

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信息技术发展的三大规律
• 摩尔定律即电子定律：集成电路 的集成度每18个月翻一番； • 超摩尔定律即光子定律：光纤传 输的数据总量每9个月翻一番；
• 迈特卡夫定律：网络的价值以联 网设备数的平方关系成正比
微电子与集成电路设计
总学时：48 学分：3
教材和参考资料
参考教材: 《CMOS模拟集成电路设计》(第2版) 艾伦, 霍尔伯格著，电 子工业出版社 《模拟集成电路的分析与设计（第4版）（翻译版）》Paul R.Gray著，张晓林译，高等教育出版社 《超大规模集成电路与系统导论》John P. Uyemura 著, 周 润德译 电子工业出版社 《集成电路掩模设计--基础版图技术(翻译版)》塞因特 （Saint,C.）著，周润德，金申美译 清华大学出版社 《CMOS电路模拟与设计 : 基于Hspice 》 钟文耀著 科学出 版社2007 《Tanner Pro集成电路设计与布局实战指导》 廖裕评著 科 学出版社
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不断提高产品的性能价格比是微 电子技术发展的动力

晶体管 更小, 更快, 更低功耗, 更便宜
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工艺技术水平表征：特征尺寸
DRAM：金属线pitch的一半 MPU/ASIC: 多晶硅条pitch的一半
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目前主流工艺： 90nm、 65nm 45nm工艺进入大生产
特征尺寸缩小带来的优势
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使用IC来构建电子系统

电子系统的构建

从电子管开始，然后让电子管小型化 晶体管替代电子管，然后让晶体管小型化 元器件越来越便宜，但是

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
再便宜也要成本 整个系统的成本和复杂度相关

集成电路的出现

让电路的制造变得像印照片一样容易

元器件可并行制造 成本和元器件个数无直接关系
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互连线延时

互连线变长，连线上的延时增加，成为限 制电路性能的主要因素之一 解决方法:


使用铜材料做互连 在物理上优化连线的长度，增加驱动能力，优 化驱动器
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设计能力
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设计方法

如何设计功能越来越多的电路?
芯片的规模每两年增加一倍，但设计工程 师的数量并没有每两年增加一倍


所以，我们需要高效的设计方法
集成电路的优点

集成的特性有利于


减小体积 提高速度 降低功耗

集成降低了制造成本

几乎不存在组装的成本
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处理器继续发展

1974 , Intel 8080

第一颗通用微处理器 8位数据宽度, 4500个晶体管 最强大的16位微处理器之一 68000个晶体管 大规模IC时代的标志性产品 早期的32位处理器 450,000个晶体管 超大规模集成电路(VLSI)时代来临
2007年，晶体管诞生60周年之际, Intel发布45nm工艺 的Penryn微处理器, 拥有8.2亿个晶体管。
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微电子发展史上的几个里程碑

1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器 1968年Dennard——单晶体管DRAM 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏 目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成 的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认 为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变 人类社会和经济的三大技术创新
电路
transistors, parasitics, connections
版图
mask layers, polygons
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芯片的层次
芯片
功能模块 + 门电路
晶体管电路
物理器件 G S n+ D n+
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集成电路分类
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集成电路分类

集成电路的分类
器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域
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集成电路：Integrated Circuit，IC

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、电容等无源 器件，按照一定的电路互连，“集成” 在一块半导体单晶片（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
“集成”:通过一系列特定的加工工艺来集成
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与分立电路相比，集成电路的特点
散热不好有何结果？
图片来自 http://www.tomshardware.com/2001/09/17/hot_spot
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摩尔定律能维持多久？

历史证明了摩尔定律是正确的 它会失效吗？


物理限制: 65nm工艺下，SiO2的厚度大概是5 个原子直径大小 经济限制: 技术的发展需要金钱支撑

尺寸小 集成度高 批量生产、成本低 可靠性高 …
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微电子与集成电路 微电子科学技术的 的发展史 发展历史
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晶体管的发明

理论推动

19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要 物理效应
光电导效应 光生伏特效应 整流效应

量子力学 材料科学


需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
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Intel Core 2 (2006)



2.9亿个晶体管 3GHz主频 65nm CMOS工艺 面积143 mm2
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VLSI发展带来的变化

Cray-1: 世界上最快的计算机 (1976-1982)

64Mb存储器 (50ns cycle time) 40Kb寄存器 (6ns cycle time) 1百万门 (4/5 input NAND) 80MHz主频 功耗115kW

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按器件结构类型分类

双极集成电路：主要由双极晶体管构成

NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路
优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低

金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由 MOS晶体管(单极晶体管)构成

NMOS PMOS


CMOS(互补MOS)
功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高
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第一台电子计算机(1946)

ENIAC 17468个电子管 6000个开关 可做到每秒5000 个数的加法运算
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第一个晶体管 (1947)


William Shockley, Walter Brittain & John Bardeen (贝尔 实验室) 锗材料
电子管统治了20世纪的前半部分: 体积大、价格 昂贵、功耗大、稳定性差 现在，这一切改变了！
1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975
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晶体管数目
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工作频率
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2000年预测的功耗
真是如此？
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实际功耗
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功率密度
功率密度的升高，导致散热成本大大增加
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微电子学：Microelectronics

微电子学——微型电子学
微电子学（Microelectronics）是电子学的 一门分支学科，主要是研究电子或离子在固 体材料中的运动规律及其应用，并利用它实 现信号处理功能的学科。

核心——集成电路
以实现电路和系统的集成为目的的。
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分立电路：
将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无 源元件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能
双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和 MOS晶体管的集成电路为BiMOS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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按集成电路规模分类

集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）

In 90nm工艺 (2005)

64Mb => 9mm2 CRAY - 1 40Kb寄存器 => 0.13mm2 1百万个NAND4 gates => 4mm2 3.5mm x 3.5mm芯片面积, 和指甲大小接近
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微处理器路线图(Intel)
Year 1971 1974 1976 1982 1985 1989 1993 1995 1999 2001 2002 Chip 4004 8080 8088 80286 80386 80486 Pentium® Pentium® Pro Mobile PII Pentium® 4 Pentium® 4 (N) L 10µm 6µm 3µm 1.5µm 1.5µm 0.8µm 0.8µm 0.6µm 0.25µm 0.18µm 0.13µm Transistors 2.3K 4.5K 29K 134K 275K 1.2M 3.1M 15.5M 27.4M 42M 55M
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晶体管计算机
TX-0 (MIT, 1953)
Transistor (Manchester, 1955)
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第一块集成电路 (1958)

Jack Kilby (TI) 5个器件 锗材料
集成电路：在一个半导体材料上做了多个电子元器件，用互 连线把它们连接起来，成为一个电子器件。
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第一块商用集成电路 (1961)
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摩尔定律

1965, Gordon Moore预测单个芯片上的 晶体管数目每18~24个月会增加一倍
16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
LOG2 OF THE NUMBER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION
Gordon Moore Intel Co-Founder & Chairman Emeritus
微电子与集成电路设计
什么是微电子、集成电路 晶体管的发明 集成电路的发展历史 集成电路的分类 集成电路设计的特点

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信息：客观事物状态和运动特征的一种普 遍表现形式 电子学(electronics)：研究信息获取、处理、 传输、存储、控制的学科 包括电子电路及系统 如何实现电路的功能、性能； 如何实现系统的功能、性能