集成电路历史与发展趋势ppt课件

• In 90nm工艺 (2005)
– 64Mb => 9mm2
– 40Kb寄存器 => 0.13mm2 – 1百万个NAND4 gates => 4mm2
CRAY - 1
– 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
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集成电路历史与发展趋势
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为什么要设计集成电路？
• 分为两个问题
– 为什么要使用电子系统？ – 为什么用集成电路构建电子系统？
• 以计算机的发展为例
– 从机械到电子 – 从电子管到晶体管 – 从晶体管到集成电路
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第一台计算机 (1832)
• Babbage • 差分引擎 • 25000个零部件 • 3位10进制计算 • 花费：£17470
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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
• 1956 Noble Prize
集成电路：在一个半导体材料上做了多个电子元器件，用互 联线把它们连接起来，成为一个电子器件。
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第一块商用集成电路 (1961)
• 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)
• 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
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！
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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 • 2000 Noble Prize
• 几十年前，Gordon Moore已经预见了这种 趋势，并成功做出了预测。
2 CMOS反相器性能的定性分析及优化设计， CMOS组合逻辑门设计
3 CMOS时序逻辑门设计，同步时序电路
4 存储单元，低功耗设计
5 芯片规划和设计
6 电子系统设计，系统总线1
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课时安排
周次 内容 7 系统总线1 8 中断控制器IP和外部存储器控制器IP设计 9 DMAC控制器IP的设计，IP介绍
Transistors 2.3K 4.5K 29K 134K 275K 1.2M 3.1M 15.5M 27.4M 42M 55M
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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VLSI的发展趋势
• 晶体管 – 更小, 更快, 更低功耗, 更便宜
– 超大规模集成电路(VLSI)时代来临
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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
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Intel Core 2 (2006)
• 1974 , Intel 8080
– 第一颗通用微处理器
– 8位数据宽度, 4500个晶体管
• 1979, Motorola 68000
– 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
• 1981, HP Focus Chip
– 早期的32位处理器
– 450,000个晶体管
• 再便宜也ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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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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
10 嵌入式微处理器1
11 嵌入式微处理器2
12 芯片验证
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课时安排
周次 内容 13 系统定义和计算模型 14 总复习
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其它
• 主讲
– 王学香: wxx@seu.edu.cn
• 考核方式
– 闭卷考试
• 参考书
– 数字集成电路——电路、系统与设计（第二版）
• 致谢
– 本课件参考了多位国内外老师的相关课件，在此感谢 这些做出贡献的老师们
系统芯片（SoC）设计
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目标与要求
• 目标
– 复习VLSI系统导论的知识 – 介绍SoC设计的基本方法和技术 – 建立架构SoC芯片的基本能力
• 要求
– 具有计算机体系结构的背景知识 – 对数字电路有一定了解
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什么是SoC
逻辑单元 CPU 内核
Analog
PAD
静态RAM
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课时安排
周次 内容 1 集成电路历史与发展趋势，设计指标
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
• 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
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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