VLSI设计导论.ppt

vlsi设计导论,第一章 概论,第一节 引 言 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。,信息系统的集成可分为三个层次：工程层次、电子系统层次和电路层次。 工程层次：如国家信息高速公路等牵动着各种电子系统的开发。 电子系统层次：即为大型信息工程提供设备，又是电路制造商瞄准的主要市场。 电路层次：主要是微电子产品的开发。,一、集成电路的发展 自从1958年集成电路诞生以来，经历了小规模（ssi）、中规模（msi）、大规模（lsi）的发展过程，目前已进入超大规模（vlsi）和甚大规模集成电路（ulsi）阶段，是一个“system on a chip”（soc)的时代。 第一代16位的8086芯片中，共容纳了约2.8万个晶体管。32位以上的586级计算机微处理器，如“奔腾”芯片内的晶体管数目则高达500万以上。 目前商业化半导体芯片的线宽为0.180.35m，今后发展的趋势是0.15m甚至0.1m以下。,集成电路工艺的发展特点,九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已从亚微米(0.5到1微米)进入到深亚微米(小于0.5微米)，进而进入到超深亚微米(小于0.25微米)。其主要特点： 特征尺寸越来越小 芯片尺寸越来越大 单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快 电源电压越来越低 布线层数越来越多 i/o引线越来越多,表1 发展规划代次的指标 年份 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012 最小线宽 0.25 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.01 (m） dram容量 256m 1g 1g4g 4g 16g 64g 256g 每片晶体管数 11 21 40 76 200 520 1400 （m） 芯片尺寸 300 440 385 430 520 620 750 (平方毫米） 频率 750 1200 1400 1600 2000 2500 3000 (兆赫） 金属化层层数 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9 最低供电电压 1.8-2.5 11.5-1.8 1.2-1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.5-0.6 （v） 最大晶圆直径 200 300 300 300 300 450 450 （mm）,moores law and future ic technologies,moore law - min. transistor feature size decreases by 0.7x every three years - true for at least 30 years! (first published in 1965) 1997 national technology roadmap for semiconductors,工艺特征尺寸,单个芯片上的晶体管数,芯片面积,电源电压,金属布线层数,时钟频率,器件及互连线延迟,集成电路朝着两个方向发展： 一是在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、超高集成度的电路。 二是迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技术、和测试技术等发展各种专用集成电路（asic）。 从另一个角度来说，进入90年代以来，电子信息类产品的开发明显地出现了两个特点： 一是开发产品的复杂程度加深，出现soc。 另一个是开发产品的上市时限紧迫。,图2 多媒体工作站系统集成芯片,图3 市场窗口,表2 产品市场寿命,我国集成电路的发展 我国自1956年研制出第一个锗晶体管，1965年制成了第一片集成电路至今，经过30多年的不懈努力，已具备了一定的生产规模和发展基地。 改革开放二十年来，我国信息产业与技术的发展 1、发展速度快，产业规模不断扩大 年均增长率达25%以上，信息产业在全国工业总产值中的比例已有1980年的2.02增长到1999年的7.04。 表 19801999年电子信息产业占全国工业总产值的比重,19801999年电子信息产业占全国工业总产值的比重,(亿元) 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0,8 7 6 5 4 3 2 1 0,（%）,工业总产值 占全国工业总产值 的比重,1980年 1985年 1990年 1995年 1999年,100.2,286.4,698.1,2470,7782,2、产品结构不断优化 19801999年电子残品结构变化 3、形成了较为齐全的产品门类 集成电路、软件 、计算机、信息处理、通信、广播电视、音频和视频、多媒体、元器件。,4、对外贸易取得突破性进展，电子信息产品成为我国主要出口 产品 1999年出口总额达到390亿美元，约占1999年全国出口额的20。 19801999年电子信息产品出口状况,目前我国的半导体集成电路生产分为三大类： 第一类是企业： 上海华虹nec（hhnec），0.350.5m的8英寸的集成电路生产线。 北京的首钢nec（sgnec）有一条0.5-0.8m的6英寸的生产。 上海philips（wafer foundry）有一条0.8-1.0m的6英寸的生产线。 上海贝岭（beling）有一条1.0-1.5m的4英寸的生产线。 无锡华晶有一条0.8-1.0m的6英寸的生产线。 绍兴华越有一条从日本富士通引进的二手线，2m的5英寸的生产线。 第二类是科研： 清华大学微电子所由ibm捐赠了一条0.5-0.8m的6英寸的生产线。 中科院微电子研究中心，有一条0.5m -0.8m 的4英寸的生产线。 上海冶金所有一条0.8m 的4英寸的生产线。 第三类是军工： 西安771所有一条1-2m 的3英寸的生产线。 蚌埠214所（兵工器总公司）有一条2-3m 的3英寸的生产线。,我国集成电路生产能力方面： 93年生产的集成电路为1.78亿块，占世界总产量的0.4%，相当于美国1969年的水平，日本1971年的水平。 96年为7.09亿块，而1996年国内集成电路市场总用量为67.8亿块,国内市场占有率仅为10。 99年为23亿块,销售额70多亿元，国内市场占有率不足20，绝大部分依靠进口。 2000年需求量为180亿块，预计可生产32亿块。 总之，我国集成电路产业的总体发展水平还很低，与国外相比大约落后15年。,二、集成电路设计与eda软件工具 集成电路产业是以市场、设计、制造、应用为主要环节的系统工程。设计是连接市场和制造之间的桥梁，是集成电路产品开发的入口。成功的产品来源于成功的设计，成功的设计取决于优秀的设计工具。 图 信息产业市场中的eda,在集成电路产业发展初期，集成电路设计附属于半导体工业加工。第一代的ic cad系统为ic设计师提供方便的版图编辑、设计验证和数据转换等功能。 70年代末，80年代初，ic cad技术进入了第二代，为设计师提供了方便的原理图编辑、仿真和物理版图的布图、验证功能。 90年代初，ic cad技术进入了第三代，包括有系统级的设计工具。 目前，第四代ic cad工具eda工具的开发正在紧锣密鼓地进行。由于集成电路的工艺水平已经进入深亚微米（0.6微米），在0.8微米工艺以下，连线延迟已占总延迟的70，因而计算工作量要比微米及亚微米增大。设计工具改进所增加的设计能力必须超过工艺增长速度，才能适应工艺的快速发展。,ic cad发展史 第一代：七十年代以applicon, calma, cv为代表的版图编辑+drc 第二代：八十年代以mentor, daisy, valid为代表的cad系统，从原理图输入、模拟、分析、到自动布图及验证 第三代：九十年代以cadence, synopsys，avanti等为代表的esda系统，包括有系统级的设计工具 第四代：正在研制面向vdsm + system-on-a-chip的新一代cad系统,图 设计和工艺的差距越来越大,我国ic cad发展的过程 从七十年代中开始，至今已有二十多年研究历史。 组织和参加了国家第一代（1980-1983）、第二代（1986-1988）和第三代（1988-1991）ic cad系统的研制，任第二代和第三代系统（panda）的总设计师和副总设计师。 国内大学的研究情况: 复旦大学- 布图、fpga、模拟电路 杭州电子工业学院（浙江大学）- 布图、模拟 北京大学- 器件模型 北京理工大学- 综合、验证 上海交通大学- 版图验证 哈尔滨工业大学- 综合、ahdl 清华大学微电子所、电子工程系-模拟电路、器件模拟,国内国内工业界的研究情况: 华大集成电路设计中心- 版图编辑、验证，vhdl环境，reuse ， panda系统已有47家用户，近几年已销售￥3000多万，在国内安装套数占30% avanti 上海分公司 latice上海分公司 其它,第二节 vlsi设计过程简介 vlsi从设计到制造，需要经过若干步骤，为了使大家有一个总体的了解，我们简要将其概括如下： 1、系统规范化说明（system specification） 包括系统功能、性能、物理尺寸、设计模式、制造工艺、设计周期、设计费用等等。 2、功能设计（function design） 将系统功能的实现方案设计出来。通常是给出系统的时序图及各子模块之间的数据流图。 3、逻辑设计（logic design） 这一步是将系统功能结构化。通常以文本、原理图、逻辑图表示设计结果，有时也采用布尔表达式来表示设计结果。,4、电路设计（circuit design） 电路设计是将逻辑设计表达式转换成电路实现。 5、物理设计（physical design or layout design） 物理设计或称版图设计是vlsi设计中最费时的一步。它要将电路设计中的每一个元器件包括晶体管、电阻、电容、电感等以及它们之间的连线转换成集成电路制造所需要的版图信息。 6、设计验证（design verification） 在版图设计完成以后，非常重要的一步工作是版图验证。主要包括：设计规则检查（drc）、版图的电路提取（ne）、电学规检查（erc）和寄生参数提取（pe）。,第三节 vlsi设计中的问题 一、成本问题 vlsi的成本包括：设计费用、制造费用及此过程中工程师的工资。 二、设计正确性要求 设计的正确性是ic设计中最基本的要求。ic设计一旦完成并送交制造厂生产后，再发现有错误，就需要重新制版、重新流片，这会造成巨大的损失。因此，要保证100的设计正确性。 三、设计过程集成化 计算机在集成电路设计中的作用是不可取代的。如果说集成电路在最初发展阶段可以用手工进行设计的话。那麽，如今集成电路设计离开计算机进行辅助设计是无法实现的。,由于ic设计这一独特的限制，就需要有功能更强、性能更好的eda设计工具将整个集成电路设计过程统一考虑，前后呼应，从全局的观点使系统设计达到最优。 目前，实际上计算机辅助设计软件及工具几乎渗透了vlsi设计的各个步骤中：工艺模拟、器件模拟、电路分析、逻辑验证、版图验证及参数提取、布图工具、综合工具、计算机辅助设计、封装工具。 四、vlsi设计的可测试性问题 测试在vlsi设计中是一个十分重要的课题。测试的意义在于检查电路是否能按设计要求正常工作。随着vlsi功能的日趋复杂，测试费用所占的比例明显增大，虽然芯片测试是在vlsi生产过程当中进行的，但是为了减小测试所需要的资源，往往在电路设计阶段就要考虑其可测试性的问题，增强测试的简易性。具体做法是在已有的逻辑设计基础上添加一些专门用于测试的辅助电路。,第四节 vlsi的设计方法 vlsi设计方法学旨在人工干预设计与cad工具之间的交互过程中取得尽可能高的设计效率。 一、vlsi设计的一般形式 层次式设计是vlsi设计中最广泛使用的方法，它可以简化vlsi设计的复杂性。层次式设计方法分为自顶向下和自底向上两种方法。p5，图1.4给出了这两种层次设计的示意图。 层次化设计分为三个域：行为域、结构域和几何域。 二、ic层次式设计方法(自顶向下的设计方法例子) 系统级、功能级、寄存器传输级、门级、电路级、版图级（物理级）。,三、 vlsi设计描述,计算