微电子学概论第三章设计技术

IntroductiontoMicroelectronics第三章设计技术§3.1集成电路的分类§3.2集成电路设计基础§33集成电路设计方法§3.3集成电路设计方法§3.4集成电路设计验证技术§3.5GaAs电路设计技术§36集成电路设计技术的挑战§3.6集成电路设计技术的挑战第三章设计技术Æ通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件，电阻、电容等无源器件，“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，Æ随着集成电路集成度的不断提高以及工艺技术不断进步，设计方法面临着很大的挑战特别是SoC技术的出现设计技术已经从“电路集成”发展到“系统集执行特定的电路或系统功能，称为集成电路（IC）。的挑战，特别是SoC技术的出现，设计技术已经从电路集成发展到系统集成”。传统的手工绘图、原理图输入等设计方法已经被替代，设计方法学和EDA工具已经在集成电路设计中发挥着越来越大的作用，以保障设计成本和提高设计效率。第三章设计技术§3.1集成电路的分类X集成电路的发展历程¦1952年5月，英国科学家G.W.Dummer第一次提出了集成电路的设想。¦1958年德克萨斯仪器公司（TI）的ClairKilby发明了集成电路，该电路在锗衬底上集成了12个器件，该发明获得了2000年诺贝尔物理学奖。¦1965年Intel公司的创始人GordenE.Moore提出了著名的摩尔定律：集成电路的集成度，即芯片上晶体管数目每隔18个月增加一倍或每3年翻两倍。Æ40多年来，以动态存储器（DRAM）和Intel公司的微处理器为代表的两大类集成电路的规模几乎是准确按照摩尔定律发展。ÆIC技术成为近50多年来发展昀快的技术，以Intel公司的微处理器为例，1971年推出第一代四位微处理器产品4004，集成了2300只晶体管，采用10μm工艺实现，时钟频率为108kHz；2000年推出的Pentium4微处理器集成了4200万只晶体管采用频率为108kHz；2000年推出的Pentium4微处理器，集成了4200万只晶体管，采用0.18μm工艺，时钟频率为1.5GHz。¦Pentium4相比于4004，片上集成度增长了1.8万倍。第三章设计技术§3.1集成电路的分类X集成电路的发展历程第一块集成电路4004微处理器Pentium4芯片第三章设计技术§3.1集成电路的分类X集成电路的发展历程集成电路工艺和集成度的发展概况第三章设计技术§3.1集成电路的分类X集成电路的发展历程X集成电路所依赖的电子器件的发展经历了以下阶段X集成电路所依赖的电子器件的发展经历了以下阶段：Æ电子管时代：1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大寿命短目前在些大功率发射装置中使用耗电大、寿命短。目前在一些大功率发射装置中使用。Æ晶体管时代（分立器件）：集成路时代集成件Æ集成电路时代（集成器件）：第三章设计技术§3.1集成电路的分类X等比例缩小定律¾集成电路按摩尔定律不断发展，特征尺寸不断缩小，工作电压不断降低。指导集成电路尺寸不断缩小的是等比例缩小定律（Slidl）电路尺寸不断缩小的是等比例缩小定律（Scaling-downlaw）¦等比例缩小定律昀早是1974年Dennard提出的，基本指导思想是保持MOS器件内部电场不变称为恒定电场定律简称CE定律等比例缩小器件的纵向横向尺寸以电场不变，称为恒定电场定律，简称CE定律。等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能，同时电源电压也要缩小到相同倍数¦恒定电场定律存在着以下几方面的问题：1)阈值电压不可能缩得太小，因为阈值恒定电场定律存在着以下几方面的问题：)阈值电压不可能缩得太小，因为阈值电压降低会引起电路抗干扰能力降低和静态功耗增加；2)源漏耗尽区宽度不能等比例缩小；3)电源电压标准的改变会带来很大的不变。¦恒定电压等比例缩小定律，简称CU定律：保持电源电压和阈值电压不变，对其他参数进行等比例缩小。按CU定律缩小后对电路性能的提高远不如CE定律，而且采用CU定律会使沟道内的电场大大增强。CU定律会使沟道内的电场大大增强。¦准恒定电场定律：电源电压降低比例通常小于器件尺寸的缩小比例，器件尺寸将缩小至1/k，而电源电压只变为原来的λ/k。第三章设计技术§3.1集成电路的分类X等比例缩小定律CE、CU、QCE定律的比较第三章设计技术§3.1集成电路的分类X集成电路按结构形式分类¾按照集成电路的结构形式可以分为半导体单片集成电路和混合集成电路。¦单片集成电路是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路，基片材料一般是硅或砷化镓。¦混合集成电路是指将多个半导体集成电路芯片或各种分立器件通过一定的工艺进行二次集成，构成一个完整的、更复杂的功能器件，该器件昀终封装在一个管壳内，被电子系统使用根据采用的工艺又分为厚膜和薄膜混合集成电路被电子系统使用。根据采用的工艺又分为厚膜和薄膜混合集成电路。¦单片集成电路中，按照有源器件的结构和制造工艺又可分为双极、MOS及双极-MOS集成电路MOS集成电路。¦双极集成电路的特点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗大、集成度低。MOS集成电路可分为NMOS、PMOS和CMOS集成电路，优点是功耗小、集成度高、输入阻成电路可分为NMOS、PMOS和CMOS集成电路，优点是功耗小、集成度高、输入阻抗高、抗干扰能力强等，是集成电路的主流制造技术。BiMOS包括了BiMOS和BiCMOS，综合了双极和MOS的优点，但是制造工艺复杂，成本高。第三章设计技术§3.1集成电路的分类X集成电路按规模分类¾每块集成电路包含的元器件数目称为集成度。根据集成度的大小，通常将集成电路分为小规模集成电路（SSI）中规模集成电路（MSI）大规模集成电路（LSI）分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）、特大规模集成电路（ULSI）和巨大规模集成电路（GLSI）。划分集成电路规模的常用标准第三章设计技术§3.1集成电路的分类X集成电路按电路功能分类¾根据集成电路的功能，通常将集成电路分为数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路三类合集成电路三类。¦数字集成电路是指采用二进制方式进行计算和逻辑运算的集成电路。按照输入和输出信号的时序关系又可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路输出信号的时序关系，又可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。¦模拟集成电路是指处理模拟信号的集成电路。进一步分为线性集成电路和非线性集成电路两类。线性集成电路主要包括用于线性放大的运算放大器等，非线性集成电集成电路两类。线性集成电路主要包括用于线性放大的运算放大器等，非线性集成电路包括振荡器、定时器等。¦数模混合集成电路是指单一芯片上既包括数字电路又包含模拟电路的集成电路。数模混合集成电路是指单芯片上既包括数字电路又包含模拟电路的集成电路早期的数模混合电路主要用于数字信号和模拟信号的相互转换，如A/D转换器等。随着SoC的出现，数模混合设计已成为关键的技术。Æ此外，集成电路根据应用领域可分为民用、航空航天用、汽车电子用等。集成电路按应用性质分通用集成电路和专用集成电路（ASIC）。第三章设计技术§3.1集成电路的分类集成成电路的分类类第三章设计技术§3.2集成电路设计基础X集成电路设计的要求¾集成电路设计是从系统功能建模到输出基于特定工艺设计规则物理版图的实现过程。这个过程必须考虑到的约束条件包括设计成本芯片性能工艺选择及其规则等这个过程必须考虑到的约束条件包括设计成本、芯片性能、工艺选择及其规则等。¾集成电路设计的基本要求：¦设计周期设计周期影响着研发费用芯片成本和产品参与市场竞争的先机¦设计周期：设计周期影响着研发费用、芯片成本和产品参与市场竞争的先机。¦芯片成本：芯片从设计到形成产品主要包括设计费用、制造费用和封装测试费用等在设计环节影响的主要是设计效率和裸片面积等。在设计环节影响的主要是设计效率和裸片面积。¦设计正确性：由于集成电路的制造费用很高，且在投片之后自身电路无法修复，因此设计的正确性不仅节约成本还节约产品研发时间因此设计的正确性不仅节约成本，还节约产品研发时间。¦产品的性能：芯片性能一般用时钟周期或时钟频率来表征。随着工艺技术步入超深亚微米，互联线的延时超过器件延时，占据总延时的支配地位。互联线的拓扑结构深微米联线的延时超过器件延时占据总延时的支地位联线的拓扑结构和效应已经成为性能优化中的焦点问题。¦设计的创造性：创造性不仅包括设计出更优的产品，还包括设计出成功的、高附加值的新产品。第三章设计技术§3.2集成电路设计基础X集成电路设计和制造的关系Æ集成电路设计人员将符合特定工艺规则约束的物理版图结果交付代工厂，由代工厂负责生产芯片。从想法到形成芯片产品，需要经过设计、制造、封装和测试几个阶段。据此集成电路产业结构划分为：设计业、制造业、封装和测试业。Æ设计是形成芯片的第一个环节。首先，根据芯片的应用特性和使用目的确定芯片的功能和性能；其次，需要判断现有的工艺是否可以达到要求。如果达到要求，则按现有工艺规则的约束完成设计如达不到要求则需要开发出新一代或更加精细按现有工艺规则的约束完成设计；如达不到要求，则需要开发出新一代或更加精细的工艺和器件制造技术。芯片从设到批量生产需设试生产封装和试等节每个节都需Æ芯片从设计到批量生产需经过设计、试生产、封装和测试等环节，每个环节都需要一定的周期。为缩短产品面世时间，必须尽可能地减少设计返工，这对设计的正确性提出了更高的要求。确提出更高要求第三章设计技术§3.2集成电路设计基础X集成电路设计和制造的关系集集成电路芯芯片的开发流流程第三章设计技术§3.2集成电路设计基础X集成电路设计工具的演变¾从设计工具软件演变的过程来划分，经历了手工设计、计算机辅助设计（ICCAD）、电子设计自动化（EDA）电子系统设计自动化（ESDA）以及用户现场可编程器件电子设计自动化（EDA）、电子系统设计自动化（ESDA）以及用户现场可编程器件。¦原始手工设计：从设计原理图、硬件电路模拟、版图设计到电路掩模板等人工完成¦计算机辅助设计：20世纪70年代开始用计算机辅助进行电路版图编辑、PCB布局布线，部分取代了人工操作。¦计算机辅助工程CAE阶段：20世纪80年代CAE配备了成套集成电路设计软件，其功能包括原理图输入、逻辑仿真、电路综合、电路时延后仿真、自动布局布线等。¦EDA：电子设计自动化技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的昀新成果开发电子CAD软件包，它根据硬件描述语言完成的设计文件自动完成逻辑综合优化布局布线及仿真直至完成对于特定目标芯设计文件，自动完成逻辑、综合、优化、布局布线及仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。¦电子系统设计自动化：ESDA的目的是为设计人员提供进行系统设计的分析手段，子系统设计自动化的目的是为设计人员提供进行系统设计的分析手段继而完成系统级自动化设计，昀终实现SoC芯片系统。第三章设计技术§3.3集成电路设计方法¾集成电路设计方法伴随着制造技术的发展，工艺技术的每一次变革都推动了集成电路设计技术的飞跃，“晶体管集成→电路集成→系统集成”是集成电路设计方法的昀佳概括。X集成电路设计的抽象层次括。X集成电路设计的抽象层次¦集成电路的抽象层次分为系统层、模块层、标准门逻辑电路层和标准门逻辑、电路层和晶体管层。自顶向下的设计方法就是自系统功能到晶体管物理版图的向下映射的设计过程。集成电路设计的抽象层次示意图集成电路设计的抽象层次示意图第三章设计技术§3.3集成电路设计方法X集成电路设计方法学¾从设计抽象层次的转移来看，先后产生了三种主要的设计方法学：时序驱动的设计，基于模块的设计和基于平台的设计基于模块的设计和基于平台的设计。集成电路设计方法的演变图第三章设计技术§3.3集成电路设计方法X集成电路设计方法学¦时序驱动的设计方法（TDD）：时序驱动的核心是版图规划和互联线延迟模型，关键的设计工具是版图