半导体集成电路原理与设计—绪论讲义

3、可编程逻辑器件设计方法：利用制造商提供的专 用芯片，由设计人员根据电路要求，通过开发工 具进行“再加工”，实现特定逻辑。开发周期短， 主要包括可编程只读存储器（PROM）、可编程 逻辑阵列（PLA）、通用阵列逻辑（GAL）和可 编程时序机等。 4、可编程门阵列设计方法：现场可编程门阵列 （FPGA）近年来得到迅速发展，它集PLD器件 现场可编程的设计灵活性和门阵列的高密度于一 体。FPGA规模大，适用于时序、组合等各种逻 辑电路应用场合，可以替代几十甚至几百块通用 集成电路芯片。其单片逻辑门数为1200-20000门， 最高达100万门，整个设计过程采用最先进的CAD 技术，具有很高的一次成功率。
半导体集成电路原理 与设计
参考书目： 《集成电路原理与设计》 甘学温 北京大学 《微电子技术基础——双极、场效应晶体管原理》 曹培东 电子工业 《超大规模集成电路设计》 宋玉兴 中国电力 《集成电路设计与九天EDA工具应用》 王志功 东南大学
一、培养目标 本专业培养具备坚实的数理基础及创新精神，掌握微电子学专业所必需的基础知识、基本理论和实验技能， 掌握大规模集成电路及其它半导体器件的设计方法和制造工艺、电路与系统的设计知识，能在微电子学及相关 领域从事科研、教学、科技开发、工程技术、生产管理与行政管理等工作的高级专业人才。
•电子管收音机
•晶体管收音机
•1832年诞生了第一台手摇计算机
• 电子管计算机：第一台计算机ENIAC由18000个电子
管组成，占地150m2，重30吨，功率140kw，速度5000 次/秒，平均稳定运行时间7分钟。
•晶体管计算机
•现代计算机
集成17亿元件的安腾2处理器
•GPU:集成2.2亿晶体管的N40核心

半定制设计方法

包括门阵列设计法、标准单元设计法、可编 程逻辑器件设计法和可编程门阵列设计法。
1、门阵列设计法：适用于设计周期短、成本低、批量小的芯 片。母片为门阵列或门海，母片上预先已生成固定的晶体 管阵列、固定的输入输出压焊块和固定的布线通道。设计 人员只需根据电路性能要求完成布线设计。缺点是门的利 用率低，芯片占用面积大。 2、标准单元法：适用于指标较高、生产批量比较大的芯片。 设计时根据要求从单元库中调出所需单元电路和外围单元， 进行自动布局布线，完成版图。芯片面积小、设计自由度 大。但建立（或引进）一个单元库，初始投资大、成本较 高。
绪 论
•电子元器件发展历程
1、电子管 2、晶体管：第一个点接触型晶 体管于1947年12月诞生
现代晶体管
3、集成电路：1958年年以德克萨斯仪器公司的科学家比尔为 首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，共有12个器 件。 集成电路分为小规模（102）、中规模（102—103）、大 规模（103—105）、超大规模（105—107）、特大规模（107— 109）和巨大规模（大于109）集成电路等。现在进入了特大规 模集成电路时代。
6) 芯片测试，封装。
芯片功能定义
用户提出芯片功能、性能要求，如： 1）CPU芯片：位数、总线宽度、每秒执行指令数、 数据传输速率、I/O驱动能力、功耗、工作温 度 2）视频解码芯片：编解码方式，高清晰度／标准 清晰度、输入／输出信号、控制性号。 3）智能卡：存储器容量，签名认证方案，芯片面 积，芯片厚度，引脚数，工作电压，接触式／ 非接触式，管脚静电保护，信息保持时间。
•本课程研究内容：
（1）数字集成电路原理 双极：TTL,ECL,I2L电路等 MOS：各种MOS和CMOS电路 学习它们特性及分析方法，各种逻辑系列之间的电平转换电路，同学们应 对各种电路的特点及适用场合有一个基本的了解。 （2）模拟集成电路原理 运放 集成稳压电源 A/D,D/A变换电路，（模数混合电路） （3）设计 版图设计规则 双极、 MOS 正向设计全过程 芯片解剖 可靠性设计 可测性设计 逻辑设计--->电路设计--->版图设计--->工艺设计--->流片 学习IC设计，必须熟练掌握电路部分的基础知识
二、基本规格要求 本专业学生主要学习微电子学的基本理论和基本知识，受到科学实验与科学思维 的基本训练，具有良好科学素质，掌握大规模集成电路及其他半导体器件的设计、制 造及测试所必需的基本理论和方法，具有电路与系统设计、电路分析、器件工艺设计 与分析和版图设计等基本能力。 毕业生应获得以下几方面的知识和能力： 1. 掌握数学、物理等方面的基本知识和基本理论； 2. 掌握半导体物理、半导体器件和VLSI设计与制造等方面的基本理论和基本知识，掌握 集成电路和其它半导体器件的原理与设计方法，具有VLSI制造的基本知识与技能，掌 握新型设计软件； 3. 掌握电子电路技术、计算机原理与应用、软件设计与制作等基本知识，以能适应在相 应专业（如通信、电子技术、自动控制、计算机应用等）的工作要求； 4. 掌握微电子学基本实验技能； 5. 了解VLSI和其它新型半导体器件的理论前沿、应用前景和最新发展动态以及电子产业 发展状况； 6.掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有一定的实 验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析试验结果，撰写论文参与学术交流的能力。 7. 熟悉国家电子产业政策、国内外有关的知识产权及其他法律法规。
集成电路的分类
按功能分类 – 通用集成电路 – 专用集成电路ASIC – 专用标准电路ASSP ������ 按设计制造方法分类 – 全定制Full Custom – 半定制Semi-Custom – 可编程Programmable ASIC

• 常规集成电路设计流程
1）芯片功能、性能定义
2）系统设计、算法设计 3）行为级描述，行为级优化 4）逻辑综合，逻辑优化，门级仿真，测试生成 5）布局布线，参数提取，后仿真，制版数据生成
系统设计、算法设计
行为级描述
门级描述
晶体管级描述
芯片版图－单元
• 简单电路的设计
555电路的设计及生产过程
逻辑设计——电路设计——版图设计——工艺设计——流片——测试——封装
逻辑功能设计
电路设计
封装
全定制设计方法
Βιβλιοθήκη Baidu
适用于得到最高速度、最低功耗、最省面 积的芯片设计。是基于晶体管级的设计， 从管子的尺寸、安放位置及管子间的互连 着手设计，花费的人工最多，周期最长， 适合于大批量生产的芯片设计。可以得到 性能最好的VLSI和ASIC。 标准单元和门阵列母片都是采用全定制方 式精心设计的。