数字集成电路简介

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Electronics,
April 19, 1965.
引论. 19
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A. 逻辑IC复杂程度的趋势
B. 存储器复杂程度的趋势
图1.2 逻辑IC和存储器集成复杂程度随时间发展的趋势
引论. 20
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2020年8月8日3时8分
引论. 7
ENIAC——ห้องสมุดไป่ตู้一台完整的计算机 80英尺长，8.5英尺高以及几英尺宽，并含有18000个真空管
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引论. 8
第一个晶体管，Bell实验室，1947
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引论. 9
晶体管的三位发明人： 肖克利（W. Schokley ） 巴丁（ J. Bardeen ） 布拉顿（ W. Brattain ）
数字IC（组合/时序） 模拟IC（线性/非线性）
模数混合IC 通用IC、专用IC
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划分集成电路规模的标准
类型
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
数字集成电路
MOS IC
双极 IC
<100
<100
100~1000
100~500
103 ~ 105
500~2000
105 ~ 107
• 系统部分
– 时序（第十章） 和互连安排（第九章） – 算术逻辑运算单元（第十一章） – 存储器和可编程逻辑阵列（第十二章） – 设计方法学（第八章）
引论. 3
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参考教材
• CMOS超大规模集成电路设计(第三版)
– N.H.E.Weste等著 – 中国电力出版社中文版
引论. 4
1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975
• 摩尔定律
– 1965年，Gordon Moore预言单个芯片上晶体管的数目每18到24 个月翻一番。(随时间呈指数增长)
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本章重点
1. 数字电路设计进展 2. 数字电路设计中有待解决的问题 3. 如何衡量设计质量
引论. 5
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1.1 历史回顾
引论. 6
世界上已知的第一个自动 计算器——Babbage的 Difference Engine I (1832) 的工作部件 25000个机械部件 总成本为17470英镑
>2000
107 ~ 109
>109
模拟集成电路
<30 30~100 100~300 >300
* 每块集成电路芯片中包含的元器件数目叫做集成度
引论. 18
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1.2 数字IC设计中的问题
LOG2 OF THE NUMBER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION
数字集成电路设计
2011
第1章 引论
许晓琳 (xu.xiaolin@163.com) 合肥工业大学电子科学与应用物理学院
课程教材
• Digital Intergrated Circuits— A Design Perspective(2nd Edition) – J.M.Rabaey等著 – 清华大学出版社影印版
功耗/集成度——双极型让位于MOS
引论. 13
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晶体管革命
• MOS – 1925年：IGFET（Lilienfeld） • 缺乏对材料的了解和栅稳定性问题 – 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 • 高速：Intel 4004/8080 功耗——NMOS让位于CMOS
引论. 12
2020年8月8日3时8分
晶体管革命
• TTL – 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） – 1960年：商用IC逻辑门（Fairchild） – 1962年：TTL系列（ Beeson/Fairchild ） – 1974年：ECL高速系列（Masaki） – 1972年：I2L低功耗高密度系列（Hart）
获得1956年Nobel物理奖
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引论. 10
第一个集成电路，Jack Kilby，德州仪器，1958
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引论. 11
集成电路的发明人： 基尔比（ Jack Kilby ） 获得2000年Nobel物理奖
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1969年，法庭判决基尔比和诺伊 斯为集成电路的共同发明人，集成 电路的专利权属于基尔比，集成电 路内部连接技术的专利属于诺伊斯
• 数字集成电路— 电路、系统与设计(第二版) – 周润德等译 – 电子工业出版社中文版
引论. 2
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课程内容
• 基础部分
– 数字集成电路介绍（第一章） – CMOS 器件（第三章、第四章）
• 电路部分
– CMOS反相器（第五章） – CMOS组合逻辑单元（第六章） – CMOS时序逻辑单元（第七章）
2020年8月8日3时8分
集成电路
A
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Vdd
B
集成电路的内部电路
Out
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划分依据 结构 规模
功能
应用领域
引论. 17
集成电路的分类
分类 双极型（NPN/PNP）、MOS型
（PMOS/NMOS/CMOS)、 BIMOS型（BiMOS/BiCMOS） SSI、MSI、LSI（Small、Medium、Large） VLSI（Very Large Scale IC：超大） ULSI （Ultra Large Scale IC：特大） GSI （Gigantic Scale IC：巨大）
引论. 14
2020年8月8日3时8分
集成电路的概念
• Integrated Circuit，缩写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、电容和电阻等无源器件，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
引论. 15