数字专用集成电路设计1

数字专用集成电路设计自我介绍任课教师：陈禾北京理工大学551教研室办公地点：四号教学楼212房间电话：68914973今日授课内容•绪论•课程及考试安排•参考文献•思考题第一章绪论•集成电路：IntegratedCircuit，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第一章绪论•信息产业值占国民经济总值的40%~60%•微电子工业是国民经济信息化的基石•集成电路（IC）是微电子技术的核心•如果以单位质量的“钢”对国民生产总值的贡献为1来计算，则小轿车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路则高达2000。•巨大的微电子产业是如何发展起来的？晶体管的发明1947年12月16日美国贝尔实验室晶体管小组成员Brattain观察到,流经连接在两根导线间锗晶体后的电流被放大了，代替真空管的晶体管发明了。晶体管的发明是三位科学家长期合作的结果:JohnBardeen(理论物理学家，1972年他作为低温超导理论的创始人之一，获得诺贝尔物理学奖)、WalterHBrattain(博士，天才的实验家，生在厦门，在贝尔实验室工作了33年之久，为晶体管的发明作出了杰出的贡献)WillianShockley(博士，才华横溢的领导者，发明了结型晶体管，他支持创建了Intel公司)。晶体管的发明，宣布了信息时代的到来，这三位晶体管之父，因此获1956年诺贝尔物理学奖。单片集成电路的发明•1958年前后，美国的RobertNoyce和JackKelby两人几乎不约而同地发明了集成电路技术。–1958年7月，JackKelby在“统一各种元件尺寸与形状并在元件上内建连线”的“微型元件”计划中，提出并实现了“在同一块材料上制造有源和无源元件并把他们互连，从而形成电路”，在1958年12月12日他演示了单片集成电路。•1959年设计出来的第一个集成电路只有四个晶体管。•目前一个芯片上可集成上亿个晶体管。摩尔定律•1965年美国硅谷仙童半导体公司的戈登.摩尔，从1959到1965年半导体工业发展的数据，归纳出集成电路上可容纳的晶体管数量，大约每隔18～24个月就会增长一倍。•半导体工业的发展也进一步地证实了这一结论：–1969年Intel4位微处理器4004有2300只晶体管，104KHz。–1998年Intel推出的奔腾II，32位的处理器，有750万只晶体管，CPU时钟450MHz，集成度提高来260倍，而时钟频率提高了4326倍。1000100M10M1M100000100001G19750520009590858010158086pentiumpropentiumII10亿晶体管处理速度10万MIPS80486i38680286pentium摩尔定律示意图(年)(只晶体管)集成电路发展规划年份1997199920012003200620092012最小线宽0.250.180.150.130.100.070.01(μm）DRAM容量256M1G1G~4G4G16G64G256G每片晶体管112140762005201400数（M）芯片尺寸300440385430520620750(平方毫米）频率750120014001600200025003000(兆赫）金属化层数66-7777-88-99最低供电1.8-2.511.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6电压（v）最大晶圆200300300300300450450直径（mm）工艺特征尺寸00.050.10.150.20.250.3199719992001200320062009特征尺寸（微米）工艺尺寸单个芯片上的晶体管数0100200300400500600199719992001200320062009晶体管数（M）晶体管数芯片面积0100200300400500600700199719992001200320062009芯片面积（平方毫米）芯片面积电源电压00.511.522.5199719992001200320062009Vdd(v)Vdd金属布线层数012345678910199719992001200320062009金属层数金属层数时钟频率050010001500200025003000199719992001200320062009Clock(MHz)ClockMoore’sLaw的失效•在100纳米以上，不存在紫外线光刻的限制，到100纳米以下紫外线的波长将超过最小的晶体管外形尺寸。(Intel)用“远紫外线”或氙光的波长缩小到10纳米，或(IBM)用X射线产生5纳米的光波。朗讯正在研究的电子束刻蚀技术，这些都说明晶体管外形尺寸缩小的限制目前还不是一种障碍。•IBM的锗硅技术是在硅晶体中的某些位置植入锗原子，做成微芯片基，这种掺杂锗的片基比现有二氧化硅的片基的导电性更好，可以减少畸变和电流泄漏，并使晶体管外形尺寸缩小到50纳米，这样芯片的时钟频率可高达50GHz，将比奔腾III－450快100倍。所以集成系统的速度限制也还没有到来。•此外，市场的限制。由于高速网、多媒体通信和电视点播的迅速发展，更快的速度和更高的性能目前对用户绝非多余。Moore’sLaw的失效•相反，对摩尔定律的实际限制还是在测试和投资：一是芯片的复杂性加深，已经使得全面地测试其性能成为不可能了，芯片制造商只能依赖统计分析的方法进行测试，这种测试一方面因为测试软件的Bug不可避免，另一方面是测试软件开发的速度赶不上芯片发展的速度，到2012年时，芯片生产的合格率会从目前的90％下降到52％，到那时，测试芯片的费用比制造芯片的费用还高。•虽然制造芯片(按每个晶体管或每单位性能计算)的成本在不断下降，但由于片上晶体管的数量按指数在增加，使得一条生产线的费用高达20亿美元，若尺寸下降到100纳米以下，产家的投资会高达100亿美元，这比建一座核电站的费用还高，这时，问题就不是芯片的尺寸是否可以缩小，而是谁投得起如此高昂的资金？学习本课程的目的•ASIC的兴起、发展和广泛使用，半导体厂提倡用户自己设计芯片。•复杂地电子产品（通讯、导航、雷达等）中，都在利用IC技术，使产品更新换代，体积、功耗减小，性能、可靠性提高。因此需要IC设计人员设计自己的新组件。•美国大学的计算机专业和电子专业普遍开设“VLSI系统设计”课程，以满足社会需要。•我国为电子工业发展迅速，对IC设计工程师的需求越来越迫切。集成电路分类•集成电路的分类•本课程的定位IC分类按集成度划分SSI-小规模集成电路MSI-中规模集成电路LSI-大规模集成电路VLSI-超大规模集成电路ULSI-特大规模集成电路GSI-巨大规模集成电路按应用领域划分民用消费类IC工业投资类IC军用IC航空/航天用IC计算机、数据处理类通信类机电类能源交通类按功能区分数字集成电路：逻辑IC、存储器IC、微处理器IC模拟集成电路数字-模拟电路其它集成电路（光电、传感、超导集成电路）按应用性质划分通用IC专用IC定制IC全定制IC半定制IC定制IC标准专用IC（ASSP）现场可编程器件（FPGA、EPLD）按速度、功率划分频率类IC（射频、视频、音频IC；HF、VHF、微波IC）开关类IC（高速IC、纳秒IC等）功率集成电路（小功率、中功率、大功率IC）微功耗IC频率-功率IC（低频大功率IC、微波功率IC等）低噪声IC（低频低噪声、微波低噪声IC）按器件结构划分双极-MOS兼容ICBiMOSBiCMOSMOSICPMOSNMOSE/DMOSCMOS双极IC按工艺材料划分混合集成电路（HIC）薄膜IC厚膜IC薄、厚膜IC多芯片组件单片集成电路（MIC）GaAsIC硅IC集成电路工艺分类•工艺基本上有下述五种：–CMOS，TTL，ECL，BiCMOS和GaAs。•CMOS是今天用得最为广泛的工艺，它的主要优点是集程度高，功耗小，缺点是速度不够快，但现在CMOS的工作频率已有很大提高。•双极工艺（TTL）的ASIC仅在一个方面超过CMOS工艺，即时钟频率和驱动能力。•近几年发展的在单元内部采用CMOS工艺、只在这些单元的I/O缓冲、驱动部分使用双极工艺的BiCMOS工艺，使设计师获得了CMOS得高密度，低功耗和TTL的高强度驱动特性。集成电路工艺分类•ECL工艺用于对速度要求很高，而对功耗则无明显的限制的ASIC设计。在集成密度方面ECL还不如现有CMOS工艺，也没有看出有超过CMOS的迹象，特别随着工作频率的提高，功耗也就随着提高。如果设计师选择了ECL工艺，器件一定要有散热方面的考虑。集成电路工艺分类•利用增强/耗尽型砷化镓（GaAs）这种最高速度的工艺技术正在迅速发展。砷化镓正慢慢地缩短与ECL的差距，逐步取代其长期占据的高速IC工艺技术的霸主地位。砷化镓技术向计算机、数字信号处理、通讯领域的高性能ASIC技术提供了高密度、高速度（超过GHZ）的能力。由于工作在较高的频率范围，砷化镓高速ASIC设计有严格的约束，最明显就是由于上升时间比下降时间慢，设计时必须注意时钟占空比的问题，以免引起脉冲波形畸变。另外，GaAs工艺的制作过程很复杂，因而成本高。集成电路工艺分类•集成电路工艺及其关键的特性工艺速度集成密度功耗CMOS中最高最低TTL低中低BiCMOS中高低ECL高低最高GaA最高最低中集成电路的规模•也叫集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目–小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)–中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)–大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)–超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)–特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)–巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）•习惯上统称VLSI•芯片规模受合格率和发热的限制划分集成电路规模的标准数字集成电路类别MOSIC双极IC模拟集成电路SSI＜102＜100＜30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107＞2000＞300ULSI107～109GSI＞109专用集成电路概念及分类•ASIC概念–广义•面向专门用途而区别于标准逻辑电路、通用存储器及通用微处理器电路的IC–狭义•它是根据某一用户的特定要求，能以低制作成本、短交货周期供货的半定制、定制电路以及PLD和FPGA电路。–ASSP“今天的线路板就是明天的专用电路”专用集成电路概念及分类ASIC树本课程主要内容•ASIC设计概论•CMOS电路基础知识–MOS管理论–CMOS逻辑•CMOS工艺及版图设计•CMOS静态电路逻辑设计•CMOS电路性能估计本课程主要内容•CMOS子系统设计–存储电路–运算电路（ALU，乘法器，除法器，其它）–控制电路•集成电路设计方法学•集成电路设计中的CAD•硬件描述语言VHDL•可编程ASIC•可测试性结构设计本节参考教材•“超大规模集成电路系统和电路的设计原理”高德远康继昌编著西北工业大学出版社•“超大规模集成电路设计方法学导论”杨之廉申明编著清华大学出版社课程考核•笔试90％，报告10％思考题•集成电路分类•集成电路各工艺有缺点•ASIC概念及分类